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UFMG 737
T. 302
ANA PAULA FONSECA MAIA DE URZEDO
Degradação de Substâncias de Relevância Ambiental por
Processos Oxidativos e Redutivos com Monitoramento
por Espectrometria de Massas com Ionização
Electrospray
Tese apresentada ao Departamento de Química do
Instituto de Ciências Exatas da Universidade Federal
de Minas Gerais, como requisito parcial para a
obtenção do grau de Doutor em Ciências-Química.
Universidade Federal de Minas Gerais
Belo Horizonte
2008
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Urzedo, Ana Paula Fonseca Maia de
Degradação de substâncias de relevância ambiental por processos oxidativos e
redutivos com monitoramento por espectrometria de massas com ionização electrospray.
/ Ana Paula Fonseca Maia de Urzedo. 2008.
Xiii, 156 f. : il.
Orientador: Rodinei Augusti.
Co-Orientadora: Clésia Cristina Nascentes.
Tese (doutorado) – Universidade Federal de Minas
Gerais. Departamento de Química.
Inclui bibliografia.
1.Química analítica - Teses 2.Espectrometria de massas – Teses 3.Ionização
- Teses 3.Pesticidas - Teses 4.Corantes – Teses I. Augusti, Rodinei, Orientador
II. Nascentes, Clésia Cristina, Co-Orientadora II.Título.
CDU 043
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iii
O trabalho descrito nesta tese foi
realizado sob a orientação do professor
Dr. Rodinei Augusti e co-orientação da
professora Dra. Clésia Cristina
Nascentes.
Você nasce sem pedir......
Você morre sem querer.........
Vamos aproveitar este intervalo!
Hermes Pardini
Dedico este trabalho aos meus queridos
pais, Darcy e Adilson, e à minha
estimada irmã, Flávia, por todo amor e
apoio que me deram no decorrer dessa
jornada.
Agradecimentos
À Deus por ter me dado a chance de viver e ter me sustentado com seu braço forte em
toda minha vida. Sem Ele, este sonho seria impossível!
Aos meus amados pais, Darcy de Souza Maia e Adilson da Fonseca Urzedo, que sempre
torceram e pediram à Deus por mim. Sou muito grata a eles, em especial, à minha mãe,
que sempre me apoiou incondicionalmente.
À minha querida irmã, companheira e muito amada, que sempre me incentivou e apoiou
em todas as decisões.
Ao Luiz Augusto, presença constante em minha vida. Jamais te esquecerei!
À tia Dina e tio Erimar, que sempre torceram por mim. E, aos demais membros da
minha família, obrigada pelo apoio!
Ao professor Rodinei Augusti, por ter me recebido tão bem e ter me orientado com toda
a paciência do mundo. Obrigada pela atenção, pelos ensinamentos e sobretudo, pela
amizade e dedicação.
À professora Clésia, que sempre me ajudou, me apoio, ensinou e se fez presente como
co-orientadora e amiga.
Ao professor Guerreiro pela amizade, incentivo e encorajamento à realização deste
trabalho. Obrigada também por ter me recebido tão bem todas as vezes que precisei
utilizar a aparelhagem da Universidade Federal de Lavras.
Ao professor Renê Rigitano, que me acolheu com muita atenção e carinho em Lavras.
Obrigada pelos ensinamentos, incentivos e pela amizade.
Ao professor Luis Carlos Oliveira, pela amizade, acolhimento e atenção na utilização da
aparelhagem da Universidade Federal de Lavras.
À Maraísa, por ter nos recebido tão bem na Universidade Federal de Lavras e ter nos
auxiliado nas análises por electrospray.
Aos professores da Universidade do Uruguai, que tão bem me receberam para a
execução de alguns trabalhos.
Ao professor José Mauro, que muito me inspirou para a realização deste trabalho.
À professora Édna Almeida, que gentilmente nos auxiliou nos testes com Artemia
salina.
Às amigas Valéria, Flaviana e Adriana, que foram minha família neste período. A elas
agradeço pela paciência, carinho e companheirismo.
Às minhas amigas e companheiras inseparáveis de laboratório, Renata e Karla.
Obrigada por tudo!
Aos amigos que conquistei e pude contar nesta longa jornada: Daniela, Lucília,
Rodrigo, Gilberto, Amauri, Jaqueline, Júnia, Helvécio, Paterson, Marcelo, Ilza, Josiane,
Lucas, Claudinha, Liliane, Cláudia, Júnia, Isabela, Érika, Mário e Leandro.
Aos alunos e amigos de iniciação científica, Maria Eliza e Glayson, obrigada pelo apoio
em todos os momentos.
Aos amigos Lavrenses inesquecíveis: Derson, Nélio, Josimar e Luiz Carlos.
Aos professores Maria Helena e Rochel por terem me acolhido com muito carinho nesta
Universidade. Obrigada pela amizade, atenção e apoio de vocês.
À Flávia Moura e Fabiano, pela paciência, ensinamentos, apoio e amizade.
Ao grupo do professor Rochel, por ter nos permitido utilizar o TOC.
À Patrícia e Andrei Leitão, pelos ensinamentos, incentivos e amizade.
Ao professor Francisco Barbosa e à técnica do laboratório do Instituto de Ciências
Biológicas, Simone, pela realização das análises de Carbono Orgânico Total.
Aos professores Ione e Cláudio Donnici, por ter nos cedido gentilmente o
espectrofotômetro e o HPLC de seus laboratórios.
À Vany, pelos ensinamentos em Cromatografia.
À professora Zezé, pelo incentivo, ensinamentos, apoio e amizade.
Às secretárias, Paulete, Kátia e Liliam, por terem me ajudado com os aspectos
burocráticos do curso.
Ao Dr. Roberto, que sempre cuidou de mim e foi muito atencioso com minha saúde
mental e corporal. Obrigada pelo carinho e atenção!
À Dra. Ieda, que me orientou e ajudou em momentos complicados e difíceis de minha
vida.
Aos amigos Sérgio, Luciano, Cleyde e Maria José, que sempre me incentivaram no
decorrer desta jornada.
Às minhas sempre amigas, Manoelina, Débora e Fabiane. Apesar da distância, sempre
estiveram presentes em minha vida.
À Marilene, que cuidou de minha mãe em momentos tão difíceis de nossas vidas.
À Florzinha, minha princesinha, que tanto me diverte e me aborrece.
Enfim, agradeço a todos que me ajudaram e incentivaram na realização deste trabalho.
Muito obrigada!
Sumário
Sumário de Figuras............................................................................................................x
Sumário de Esquemas......................................................................................................xv
Sumário de Tabelas.......................................................................................................xvii
Lista de Símbolos e Abreviaturas...................................................................................xix
Resumo..............................................................................................................................1
Abstract..............................................................................................................................2
Capítulo 1..........................................................................................................................3
1. Introdução......................................................................................................................4
1.1 Processos Oxidativos Avançados................................................................................4
1.1.1 Sistema UV e UV/H
2
O
2
............................................................................................6
1.1.2 Ozonólise..................................................................................................................7
1.1.3 Fotocatálise Heterogênea..........................................................................................9
1.1.4 Energia Ultra sônica...............................................................................................10
1.1.5 Sistema Fenton.......................................................................................................11
1.2 Processos de degradação utilizando Fe
0
e óxidos de ferro........................................12
1.3 Técnicas analíticas utilizadas.....................................................................................13
1.4 Espectrometria de massas..........................................................................................14
1.4.1. Métodos de ionização............................................................................................14
1.4.1.1 Ionização por elétrons (EI).................................................................................14
1.4.1.2 Ionização Química (CI)......................................................................................15
1.4.1.3 Ionização por Electrospray (ESI).......................................................................16
1.4.2 Analisadores de massa............................................................................................19
1.5 Espectrofotometria de Absorção Molecular na região do Ultravioleta-Visível (EAM-
UV-Vis)...........................................................................................................................21
Capítulo 2........................................................................................................................25
2.1 Introdução..................................................................................................................26
2.1.1 O inseticida Thiamethoxam....................................................................................27
2.1.2 O inseticida Imidacloprid.......................................................................................29
2.1.3 O inseticida Methomyl...........................................................................................31
2.2 Objetivos....................................................................................................................35
2.3 Materiais e Métodos..................................................................................................36
2.3.1 Síntese dos catalisadores .......................................................................................36
2.3.1.1 Caracterização da Magnetita (Fe
3
O
4
) e Hematita (Fe
2
O
3
) ..................................37
2.3.1.2 Obtenção dos compósitos de Fe
0
/Fe
3
O
4
e Fe
0
/Fe
2
O
3
..........................................37
2.3.2 Reações de degradação..........................................................................................37
2.3.2.1 Inseticida Thiamethoxam....................................................................................37
2.3.2.2 Inseticida imidacloprid........................................................................................40
2.3.2.3 Inseticida Methomyl............................................................................................40
2.3.3 Otimização dos processos de degradação dos inseticidas Thiamethoxam e
Imidacloprid por meio de planejamentos fatoriais..........................................................40
2.3.4 Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (HPLC) ............................................40
2.3.5 Cromatografia gasosa/espectrometria de massas (GC-MS) ...............................41
2.3.6 Análises de TOC..................................................................................................42
2.3.7 Espectrometria de massas com ionização electrospray (ESI-MS) .....................42
2.3.8 Testes de ecotoxicidade.......................................................................................42
2.4 Resultados e Discussão............................................................................................44
2.4.1 Degradação do Thiamethoxam por Processos Oxidativos Avançados..................44
2.4.1.1 Análise por GC-NCI/MS.....................................................................................53
2.4.1.2 Análise por Espectrometria de Massas com Ionização Electrospray.................56
2.4.1.3 Teste de Ecotoxicidade........................................................................................68
2.4.2 Degradação dos inseticidas Thiamethoxam e Imidacloprid utilizando-se o
compósito Fe
0
/Fe
3
O
4
........................................................................................................70
2.4.3 Degradação dos inseticidas Thiamethoxam e Imidacloprid por Fe
0
e elucidação
dos produtos de degradação por ESI-MS........................................................................77
2.4.4 Degradação do inseticida Methomyl.....................................................................88
2.4.4.1 Teste de ecotoxicidade.........................................................................................90
2.4.5 Análise de Carbono Orgânico Total (TOC) ..........................................................92
2.5 Conclusões.................................................................................................................92
Capítulo 3........................................................................................................................93
3.1 Introdução..................................................................................................................94
3.1.1 Classificação dos corantes artificiais.....................................................................97
3.1.2 Degradação dos corantes sintéticos.......................................................................99
3.2 Materiais e Métodos................................................................................................102
3.2.1 Estudos de degradação dos corantes.....................................................................103
3.2.2 Análises por espectrometria de massas com ionização electrospray....................103
3.2.3 Testes de ecotoxicidade.......................................................................................105
3.3 Resultados e Discussão............................................................................................105
3.3.1 Degradação dos corantes Azo: Ponceau 4R, Vermelho 40, Tartrazina, Amaranto e
Amarelo Crepúsculo. ....................................................................................................105
3.3.2 Degradação do corante Índigo Carmim...............................................................109
3.3.3 Degradação do corante Azul Brilhante................................................................112
3.3.4 Degradação do corante Eritrosina........................................................................116
3.3.5 Análise de Carbono Orgânico Total.....................................................................118
3.3.6 Análises por Espectrometria de Massas com Ionização Electrospray (ESI-
MS)................................................................................................................................119
3.3.6.1. Índigo Carmim..................................................................................................119
3.3.6.1.1 Tratamento com O
3
........................................................................................119
3.3.6.1.2 Tratamento com NaClO..................................................................................125
3.3.6.2 Ponceau 4R.......................................................................................................131
3.3.6.2.1 Tratamento com O
3
........................................................................................131
3.3.6.2.2 Tratamento com NaClO..................................................................................139
3.3.6.3 Demais corantes azo: Amaranto, Amarelo Crepúsculo, Tartrazina, Vermelho
40. .................................................................................................................................143
3.3.7 Teste de ecotoxicidade..........................................................................................144
3.4 Conclusões ..............................................................................................................145
x
Conclusões Gerais........................................................................................................147
Referências Bibliográficas..........................................................................................148
xi
Sumário de Figuras
Figura 1.1- Representação esquemática da técnica ESI..................................................15
Figura 1.2 – Espectro eletromagnético............................................................................19
Figura 1.3 – Esquema de um espectrofotômetro que opera na região do visível............21
Figura 2.1 – Estrutura química da inseticida Thiamethoxam..........................................30
Figura 2.2- Estrutura química do Imidacloprid...............................................................31
Figura 2.3- Esquema de degradação proposto por Aguera et al. para a degradação
fotocatalítica do Imidacloprid com TiO
2
em solução aquosa..........................................32
Figura 2.4- Estrutura química do Methomyl...................................................................33
Figura 2.5- Rota de degradação fotocatalítica do Methomyl..........................................35
Figura 2.6- Rota proposta para a degradação metabólica do Methomyl.........................36
Figura 2.7 - Efeito da energia ultra sônica (US), radiação ultra-violeta (UV), ozonização
(O
3
) e dos sistemas hematita (Hem) e magnetita (Mag) na degradação do
Thiamethoxam. Condições reacionais: 15 mL de solução aquosa de Thiamethoxam
(50 mg.L
-1
); 20 mg de hematita ou magnetita na presença de H
2
O
2
; fluxo de ozônio
(1,2 x 10
-6
mols de ozônio/min); agitação constante; reações com tempo de duração de
30 min..............................................................................................................................45
Figura 2.8- Efeito das variáveis estudadas no planejamento fatorial para a degradação
do Thiamethoxam: (a) Gráfico de Pareto e (b) Gráfico dos Efeitos Principais..............47
Figura 2.9- Efeito das variáveis estudadas no planejamento fatorial para a degradação
do Thiamethoxam: (a) Gráfico de Pareto e (b) Gráfico dos Efeitos Principais..............50
Figura 2.10- Efeito das variáveis estudadas no planejamento fatorial para a degradação
do Thiamethoxam: (a) Gráfico de Pareto e (b) Gráfico dos Efeitos Principais..............53
Figura 2.11 - (a) Cromatograma referente ao padrão do Thiamethoxam; (b) Espectro de
massas com ionização química negativa (NCI) referente ao pico com tempo de retenção
igual a 22,43 minutos. .....................................................................................................55
Figura 2.12- Taxa de degradação do Thiamethoxam sob exposição à radiação ultra-
violeta. A
0
e A representam as áreas dos picos cromatográficos no início e após um
determinado tempo de exposição à radiação UV, respectivamente. ..............................56
Figura 2.13 – ESI(+)-MS de uma solução aquosa de Thiamethoxam (1). .....................57
Figura 2.14 – ESI(+)- MS/MS para o íon [1 + H]
+
de m/z 292. .....................................58
xii
Figura 2.15 – ESI(+)-MS da solução aquosa de Thiamethoxam (1) exposta à radiação
UV por 2 horas................................................................................................................60
Figura 2.16 – ESI(+)-MS da solução aquosa de Thiamethoxam (1) exposta à radiação
UV por 4 horas. ..............................................................................................................60
Figura 2.17 - ESI(+)-MS/MS para o íon [2 + H]
+
de m/z 247 cuja estrutura proposta é
representada no Esquema 2.2..........................................................................................61
Figura 2.18 - ESI(+)-MS/MS para o íon [6 + H]
+
de m/z 197 cuja estrutura proposta é
representada no Esquema 2.3..........................................................................................63
Figura 2.19 – Espectro de massas dos íons-produto formados pela fragmentação do íon
precursor de m/z 168. ......................................................................................................64
Figura 2.20 – Espectro de massas dos íons-produto formados pela fragmentação do íon
precursor de m/z 116........................................................................................................64
Figura 2.21 – ESI(+)-MS da solução aquosa de Thiamethoxam (1) exposta à radiação
UV por 1 hora obtido num espectrômetro de massas com analisador “ion trap”...........68
Figura 2.22- Gráfico de Pareto para a degradação do: (a) Thiamethoxam; e (b)
Imidacloprid. Estes resultados foram obtidos usando-se os dados mostrados na Tabela
2.8....................................................................................................................................75
Figure 2.23 – Figura em cubo mostrando as respostas de degradação preditas sob
condições experimentais especificadas na Tabela 2.8 para: (a) Thiamethoxan; e (b)
Imidacloprid.....................................................................................................................77
Figura 2.24- Degradação dos inseticidas (a) Thiamethoxam e (b) Imidacloprid em
função do tempo de reação. As concentrações encontram-se normalizadas e as reações
foram conduzidas em meio ácido (pH = 2), na presença de Fe
0
, com ou sem radiação
US. Os dados foram obtidos por HPLC..........................................................................79
Figura 2.25 - ESI(+)-MS da solução aquosa de Thiamethoxam 50 mg.L
-1
(1) tratada
com 10 mg de Fe
0
em pH 2: (a) 0 min de reação; (b) 30 min de reação. .......................81
Figura 2.26- ESI(+)-MS da solução aquosa de Imidacloprid (2) tratada por Fe
0
em pH
2: (a) 0 min de reação; (b) 30 min de reação. .................................................................86
Figura 2.27 - Efeito da radiação ultra-violeta (UV), H
2
O
2
, ozonização (US), Fe
0
em
meio ácido, compósito Fe
0
/Fe
3
O
4
e H
2
O
2
na degradação do Methomyl. Condições
reacionais: 15 mL de solução aquosa de Methomyl (35 mg.L
-1
); pH ajustado gotejando-
se H
2
SO
4
(1:1); 1 mL de H
2
O
2
(0,1 mol/L); fluxo de ozônio de 1,2 x 10
-6
mols de
ozônio/min; 10 mg de Fe
0
ou Fe
0
/Fe
3
O
4
; agitação constante; tempo reacional de 30
minutos. ..........................................................................................................................90
xiii
Figura 2.28- Degradação do inseticida Methomyl em função do tempo, submetido à
ozonólise ou à radiação ultra-violeta (UV). Os dados foram obtidos por HPLC.
Condições reacionais:15 mL de solução aquosa de Methomyl (35 mg.L
-1
); fluxo de
ozônio de 1,2 x 10
-6
mols de ozônio/min; radiação UV (tubo de quartzo); agitação
constante..........................................................................................................................91
Figura 3.1- Estrutura química dos corantes alimentícios: amaranto, amarelo crepúsculo,
azul brilhante, eritrosina, índigo carmim, ponceau 4R, tartrazina e vermelho 40. O grupo
cromóforo destes corantes encontra-se em destaque.....................................................105
Figura 3.2 - Porcentagem de degradação do Ponceau 4R em diferentes processos de
oxidação. .......................................................................................................................112
Figura 3.3 – 1) Solução do corante Ponceau 4R. 2) Solução do Ponceau 4R após 30 min
de reação com NaClO 0,05 mol/L. 3) Solução do Ponceau 4R após 30 min de reação
com UV/H
2
O
2
0,20 mol/L. 4) Solução do Vermelho 40 após 10 min de reação com
O
3
...................................................................................................................................113
Figura 3.4 - Degradação do Ponceau 4R utilizando os sistemas NaClO (0,05 mol/L) e
UV/H
2
O
2
(0,20 mol/L) em função do tempo.................................................................114
Figura 3.5 - Porcentagem de degradação do Índigo Carmim em diferentes processos de
oxidação. .......................................................................................................................116
Figura 3.6 – 1) Solução do corante Índigo Carmim 2) Solução do Índigo Carmim após
30 min de reação com NaClO 0,02 mol/L. 3) Solução do Índigo Carmim após 30 min de
reação com UV/H
2
O
2
0,30 mol/L. 4) Solução do Índigo Carmim após 2 min de reação
com O
3
. .........................................................................................................................117
Figura 3.7 - Degradação do Índigo Carmim utilizando o sistema NaClO (0,02 mol/L)
em função do tempo. ....................................................................................................117
Figura 3.8 - Degradação do Índigo Carmim utilizando o sistema UV/H
2
O
2
(0,30 mol/L)
em função do tempo. ....................................................................................................118
Figura 3.9 - Porcentagem de degradação do Azul Brilhante em diferentes processos de
oxidação.........................................................................................................................119
Figura 3.10 – 1) Solução do corante Azul Brilhante 2) Solução do Azul Brilhante após
30 min de reação com NaClO 0,20 mol/L. 3) Solução do Azul Brilhante após 30 min de
reação com UV/H
2
O
2
0,05 mol/L
4) Solução do Azul Brilhante após 5 min de reação
com O
3
. .........................................................................................................................119
Figura 3.11 - Degradação do Azul Brilhante utilizando os sistemas NaClO (0,20 mol/L)
e UV/H
2
O
2
(0,05 mol/L) em função do tempo. ............................................................120
xiv
Figura 3.12 – Rota de degradação do Azul Brilhante na presença de persulfato de
potássio..........................................................................................................................121
Figura 3.13 - Porcentagem de degradação da Eritrosina em diferentes processos de
oxidação. .......................................................................................................................122
Figura 3.14 – 1) Solução do corante Eritrosina 2) Solução do Eritrosina após 30 min de
reação com NaClO 0,805 mol/L. 3) Solução da Eritrosina após 30 min de reação com
UV/H
2
O
2
0,200 mol/L 4) Solução da Eritrosina após 20 min de reação com O
3
.
.................................. ...................................................................................................123
Figura 3.15 - Degradação da Eritrosina utilizando o sistema UV/H
2
O
2
(0,200 mol/L)
em função do tempo......................................................................................................124
Figura 3.16 – ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante Índigo Carmim, onde se
observa a presença predominante do ânion 1. ..............................................................126
Figura 3.17 – ESI(-)-MS/MS para o ânion 1 de m/z 210. .............................................127
Figura 3.18 – ESI(-)-MS da solução aquosa de Índigo Carmim tratada com ozônio por
10 minutos. ...................................................................................................................127
Figura 3.19 - ESI(-)-MS/MS para o ânion de m/z 244 cuja estrutura proposta (1b) é
representada no Esquema 3.2. ......................................................................................129
Figura 3.20 - ESI(-)-MS/MS para o ânion de m/z 216 cuja estrutura proposta (1c) é
representada no Esquema 3.2. ......................................................................................130
Figura 3.21 - ESI(-)-MS/MS para o ânion [1b – H + Na]
-
de m/z 266..........................130
Figura 3.22 - ESI(-)-MS/MS para o ânion [1b – H]
2-
de m/z 121.5. ............................131
Figura 3.23 - ESI(-)-MS/MS para o ânion [1c – H]
2-
de m/z 107.5. ............................ 131
Figura 3.24 - ESI(-)-MS da solução aquosa de Índigo Carmim tratada com NaClO por
10 minutos. .................................................................................................................. 132
Figura 3.25 - ESI(-)-MS/MS para o ânion 1d de m/z 243. ...........................................133
Figura 3.26 –ESI(-)-MS/MS para o ânion 1e de m/z 235. ............................................137
Figura 3.27 – ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante Ponceau 4R, onde se
observa a presença predominante do ânion 2. ..............................................................138
Figura 3.28 - ESI(-)-MS/MS para o ânion 2de m/z 268. ..............................................139
Figura 3.29a - ESI(-)-MS da solução aquosa de Ponceau 4R tratada com ozônio por 10
minutos. ........................................................................................................................140
Figura 3.29b – Visão ampliada do ESI(-)-MS da solução aquosa de Ponceau 4R tratada
com ozônio por 10 minutos (m/z de 120 a 200). ..........................................................140
Figura 3.30 - ESI(-)-MS/MS para o ânion [2HSO
4
+ H]
-
de m/z 195. .........................141
xv
Figura 3.31 - ESI(-)-MS/MS para o ânion de m/z 153 (2h). ....................................... 143
Figura 3.32a - ESI(-)-MS da solução aquosa de Ponceau 4R tratada com NaClO.......146
Figura 3.32b – Visão ampliada do ESI(-)-MS da solução aquosa de Ponceau 4R tratada
com NaClO (m/z de 90 a 250). .....................................................................................146
Figura 3.33- ESI(-)-MS/MS para o ânion de m/z 161 (2k). .........................................147
xvi
Sumário de Esquemas
Esquema 2.1 – Proposta para a fragmentação do íon [1 + H]
+
de m/z 292.....................59
Esquema 2.2 – Proposta para a fragmentação do íon [2 + H]
+
de m/z 247. O espectro de
fragmentação, ESI(+)-MS/MS, é mostrado na Figura 2.18.............................................62
Esquema 2.3 – Proposta para a fragmentação do íon [6 + H]
+
de m/z 197. O espectro de
fragmentação, ESI(+)-MS/MS, é mostrado na Figura 2.19.............................................63
Esquema 2.4- Fragmentação proposta para os íons [7 + H]
+
de m/z 168 e [4 + H]
+
de m/z
116...................................................................................................................................65
Esquema 2.5 – Possível rota para a degradação fotolítica do Thiamethoxam (1), com a
formação dos produtos 2-7..............................................................................................66
Esquema 2.6 – Formação dos produtos voláteis sulfeto de carbonila (S=C=O) e ácido
isociânico (HN=C=O) a partir do composto 4.................................................................68
Esquema 2.7- Proposta para a rota de degradação do Thiamethoxam em solução aquosa,
promovida pelo Fe
0
em meio ácido (pH = 2). ................................................................82
Esquema 2.8- Propostas para a fragmentação dos íons [1b + H]
+
, [1c + H]
+
, e [1d +
H]
+
....................................................................................................................................84
Esquema 2.9- Proposta de degradação do Imidacloprid (2) promovida pelo Fe
0
em
solução aquosa ácida. .....................................................................................................87
Esquema 2.10- Proposta para a fragmentação dos íons [2b + H]
+
, [2c + H]
+
, [2d + H]
+
e
[2e + H]
+
..........................................................................................................................88
Esquema 3.1 – Estrutura dos corantes Índigo Carmim e Ponceau 4R (formas aniônicas 1
e 2, respectivamente).....................................................................................................125
Esquema 3.2- Rota proposta para a degradação do Índigo Carmim por O
3
em solução
aquosa............................................................................................................................128
Esquema 3.3 – Fragmentações sugeridas para o ânion 1d............................................134
Esquema 3.4 – Rota proposta para a degradação do Índigo Carmim por NaClO em
solução aquosa...............................................................................................................136
Esquema 3.5 – Rota proposta para a formação de 1e de m/z 235 e subseqüente
decomposição dos ânions 1g, 1h e 1i............................................................................137
Esquema 3.6 - Fragmentações sugeridas para o ânion 2...............................................139
Esquema 3.7 – Decomposição do intermediário ozonídeo supostamente formado na
reação do corante Ponceau 4R com ozônio...................................................................142
xvii
Esquema 3.8 – Possíveis produtos formados na degradação do corante Ponceau 4R por
ozônio a partir dos ânions 2a e 2b.................................................................................144
Esquema 3.9 – Possíveis produtos formados na degradação do corante Ponceau 4R por
NaClO em solução aquosa.............................................................................................148
Esquema 3.10 - Fragmentações sugeridas para o ânion 2k...........................................149
xviii
Sumário de Tabelas
Tabela 1.1 – Potenciais padrão de redução de várias substâncias.....................................3
Tabela 2.1 - Planejamento Fatorial (2
3
), mostrando as porcentagens de degradação do
inseticida Thiamethoxam. Todos os experimentos foram realizados em duplicata. Os
símbolos (+) e (-) indicam os níveis de máximo e mínimo, respectivamente, usados para
cada variável. ..................................................................................................................46
Tabela 2.2 – Segundo Planejamento Fatorial (2
3
), realizado para otimização das
condições para a degradação do Thiamethoxam, empregando frasco de quartzo. Todos
os experimentos foram realizados em duplicata e a média das porcentagens de
degradação do inseticida thiamethoxam para cada sistema é apresentada. Os símbolos
(+) e (-) indicam os níveis de máximo e mínimo, respectivamente, usados para cada
variável. ..........................................................................................................................49
Tabela 2.3 - Planejamento Fatorial (2
2
), utilizado para avaliar o efeito do catalisador
hematita e da radiação ultra-violeta na degradação do Thiamethoxam. Todos os
experimentos foram realizados em duplicata. Os símbolos (+) e (-) indicam os níveis de
máximo e mínimo, respectivamente, usados para cada variável.....................................52
Tabela 2.4 - Resultados dos testes de ecotoxicidade do produto comercial Actara e seus
produtos de degradação para Artemia salina ..................................................................70
Tabela 2.5- Resultados dos testes de ecotoxicidade do padrão do Thiamethoxam e seus
produtos de degradação para Artemia salina ..................................................................71
Tabela 2.6- Planejamento fatorial (2
2
) mostrando as porcentagens de degradação para os
inseticidas Thiamethoxam e Imidacloprid, obtidas após reações de 30 minutos. Todos os
experimentos foram realizados em duplicata. Os símbolos (+) e (-) indicam os níveis de
máximo e mínimo, respectivamente, usados para cada variável. ...................................72
Tabela 2.7 - Efeito das variáveis [H
2
O
2
] e pH e suas interações na degradação do
Thiamethoxam e Imidacloprid.........................................................................................73
Tabela 2.8 – Planejamento fatorial (2
3
) mostrando a porcentagem de degradação dos
inseticidas Thiamethoxam e Imidacloprid em solução aquosa, após 30 minutos de
reação. Todos os experimentos foram realizados em duplicata. Os símbolos (+) e (-)
indicam os níveis máximo e mínimo, respectivamente, usados para cada variável. ......74
xix
Tabela 2.9- Principais fragmentos gerados por CID dos íons [1b + H]
+
, [1c + H]
+
, e [1d
+ H]
+
detectados no ESI(+)-MS de uma solução aquosa de Thiamethoxam (1) tratada
com o Fe
0
em meio ácido (pH = 2)..................................................................................83
Tabela 2.10- Principais fragmentos gerados por CID dos íons [2b + H]
+
, [2c + H]
+
, [2d
+ H]
+
e [2e + H]
+
detectados no ESI(+)-MS de uma solução aquosa de Imidacloprid (2)
tratada com Fe
0
em pH igual a 2......................................................................................88
Tabela 2.11 - Resultados dos testes de ecotoxicidade do padrão analítico de Methomyl
e seus produtos de degradação para Artemia salina........................................................92
Tabela 3.1 – Origem, aplicação e efeitos adversos de alguns corantes sintéticos
permitidos pela legislação brasileira..............................................................................102
Tabela 3.2 – Concentrações e valores de λ
máx
para os corantes estudados...................109
Tabela 3.3- Resultados dos testes de ecotoxicidade de corantes usados na indústria
alimentícia em Artemia salina ......................................................................................149
xx
Lista de Símbolos e Abreviaturas
POAs - Processos Oxidativos Avançados
OH
•
- radical hidroxila
UV - ultra-violeta
TiO
2
– dióxido de titânio
BV - bandas de valência BC – bandas de condução
US – ultra-som
BTX - Benzeno, Tolueno e Xileno
EM – espectrometria de massas
ESI-MS – espectrometria de massas com ionização electrospray
ESI(+)-MS – espectrometria de massas com ionização electrospray no modo positivo
m/z – razão massa/carga
EI - ionização por elétrons
CI - ionização química
ESI - ionização por electrospray.
MS/MS – espectrometria de massas tandem
DL
50
- dose letal a 50% dos indivíduos tratados
DL100 - dose letal a 100% dos indivíduos
GC-MS – espectrometria de massas acoplada a cromatografia gasosa
APCI – ionização química a pressão atmosférica
EPA- Agência de Proteção Ambiental
HPLC – cromatografia líquida de alta eficiência
RMN – ressonância magnética nuclear
LC/MS – espectrometria de massas acoplada a cromatografia líquida
CID - dissociação induzida por colisão
HAF - hidroxiacetato de ferro III
Fe
3
O
4
– magnetita
Fe
2
O
3
-
hematita
TOC - carbono orgânico total
Q-TOF - espectrômetro de massas com analisador por tempo de vôo
Hem - hematita
xxi
Mag - magnetita
CI- ionização química
NCI - ionização química no modo negativo
THI - thiamethoxam
IMI - imidacloprid
DPP - Polarografia de Pulso Diferencial
MECC - Cromatografia Eletrocinética Micelar Capilar
ANVISA- Agência de Vigilância Sanitária
ABIA – Associação Brasileira de Indústrias Alimentícias
FAO - Food and Agriculture Organization
OMS- Organização Mundial de Saúde
JECFA - Joint Expert Committee on Food Additives
IDA- Ingestão Diária Aceitável
UV-vis – ultra-violeta - visível
COD - demanda química de oxigênio
ESI(-)-MS - espectrometria de massas com ionização electrospray no modo negativo
1
Resumo
Inicialmente, estudou-se a degradação dos inseticidas Thiamethoxam,
Imidacloprid e Methomyl em solução aquosa através de vários processos. Verificou-se
que a radiação UV foi altamente efetiva na degradação do Thiamethoxam, enquanto que
os sistemas combinados UV/catalisador e UV/US/catalisador (catalisador = Fe
2
O
3
ou
Fe
3
O
4
) apresentaram menor eficiência. Outos sistemas, tais como Fe
o
, Fe
0
/Fe
3
O
4
e
Fe
0
/Fe
3
O
4
/H
2
O
2
, também foram eficientes em promover a degradação dos inseticidas
Thiamethoxam e Imidacloprid em meio aquoso ácido (pH = 2). Os dados experimentais
também revelaram que os sistemas Fe
o
/Fe
3
O
4
e Fe
o
/Fe
3
O
4
/H
2
O
2
, promoveram a redução
e oxidação de ambos inseticidas, respectivamente. Finalmente, o inseticida Methomyl
atingiu 100% de degradação quando submetido à radiação UV.
Também foi estudada a degradação de corantes alimentícios típicos por vários
processos. Foi verificado que os sistemas UV/H
2
O
2
, O
3
e NaClO foram eficientes na
remoção da cor das soluções de tais corantes.
As análises de COT (carbono orgânico total) indicaram que os processos de
degradação não promoveram a mineralização completa dos inseticidas e corantes. Deste
modo, os produtos formados nestas condições foram caracterizados por espectrometria
de massas (e espectrometria de massas sequencial) com ionização electrospray, a qual
mostrou ser uma técnica eficiente no monitoramento de processos de degradação
ocorrendo em solução aquosa.
2
Abstract
Firstly, the degradation of the insecticides Thiamethoxam, Imidacloprid and
Methomyl in aqueous solutions by a number of processes was studied. It was verified
that although the UV radiation was highly efficient in promoting the degradation of
Thiamethoxam, the combined systems, i. e. UV/catalyst and UV/US/catalyst (catalyst =
Fe
2
O
3
or Fe
3
O
4
), showed to be much less efficient. Other systems, i. e. Feº, Feº/Fe
3
O
4
,
and Feº/Fe
3
O
4
/H
2
O
2
, were also able to cause the degradation of the insecticides
Thiamethoxam and Imidacloprid in acidic aqueous solution (pH = 2). In addition, the
experimental data revealed that the Feº/Fe
3
O
4
and Feº/Fe
3
O
4
/H
2
O
2
systems lead to the
reduction and oxidation of both insecticides, respectively. Finally, the insecticide
Methomyl reached 100% of degradation when submitted to the UV radiation.
The degradation of prototype food dyes by a number of oxidative processes was
also investigated. The UV/H
2
O
2
, O
3
, and NaClO systems were able to promote a quick
and intense discoloration of the aqueous solutions of such dyes.
The analyses of TOC (total organic carbon) revealed that the degradation
processes were not able to promote a complete mineralization of pesticides and dyes.
The degradation products formed under such assorted conditions were characterized via
electrospray ionization mass (and tandem mass) spectrometry, which thus demonstrated
to be a suitable technique to monitor degradation processes in aqueous solution.
3
CAPÍTULO 1
Este capítulo descreve os tratamentos utilizados na degradação de
poluentes emergentes e persistentes, bem como algumas técnicas utilizadas
para o monitoramento e identificação dessas substâncias, como a
Espectrometria de Massas com fonte de Ionização Electrospray e
Espectrofotometria UV-Visível.
4
1. Introdução
A contaminação do meio ambiente tem sido apontada como um dos maiores
problemas da sociedade moderna. O aumento inadvertido na produção e utilização de
produtos químicos, verificado nas últimas décadas, tem causado problemas de poluição
ambiental de maneira generalizada, praticamente em todas as partes do mundo.
1
São muitas as substâncias químicas ou poluentes que têm sido lançadas de modo
indiscriminado no meio ambiente. Entre elas, estão os agrotóxicos, surfactantes,
aditivos de gasolina, drogas utilizadas nas indústrias farmacêuticas e corantes utilizados
na indústria têxtil, de papel e alimentos.
2
A preocupação com esses poluentes abrange
desde a ocorrência, comportamento, destino, persistência nos meios aquático e terrestre,
até a interação com os ecossistemas.
1
O uso intensivo desses poluentes, aliado à natureza persistente de muitos deles,
resulta na contaminação de lagos, rios, lençóis freáticos, bem como em outros impactos
ambientais e uma série de efeitos na saúde. Estudos recentes mostram que vários
corantes e pesticidas apresentam elevada toxicidade para peixes e outras espécies,
contribuindo para o desequilíbrio do ecossistema. Além do mais, as pesquisas apontam
que vários corantes sintéticos podem ser tóxicos à saúde humana, podendo provocar
dermatites, alergias, rinites, alterações carcinogênicas e mutagênicas.
3
Vários processos convencionais de tratamentos de efluentes domésticos e
industriais têm sido utilizados com o objetivo de tentar minimizar o impacto ambiental
causado por essas substâncias tóxicas, entretanto, os mesmos têm sido insuficientes na
remoção e destruição desses poluentes. Entre os novos processos atualmente em
desenvolvimento, os processos oxidativos avançados (POAs) são considerados as
alternativas mais promissoras aos métodos convencionais utilizados. Os POAs são
caracterizados pela alta eficiência e versatilidade, podendo mineralizar uma grande
variedade de compostos orgânicos.
4
1.1 Processos Oxidativos Avançados
Os processos oxidativos avançados (POAs) compreendem uma série de
tecnologias que tem em comum a participação de radicais livres, especialmente o
radical hidroxila (OH
•
), na oxidação de contaminantes presentes em matrizes de
interesse ambiental.
5
Os radicais hidroxila apresentam um elevado poder oxidante, que permite a
completa mineralização de inúmeras espécies químicas de relevância ambiental, em
tempos relativamente curtos.
5
A Tabela 1.1 lista os potenciais de redução de várias
espécies. Observa-se que o radical OH• é um forte oxidante (E
0
=2,8V), superando o
permanganato, o Cr (VI), o O
3
e o H
2
O
2
. Por outro lado, os radicais O
2
-•
e HO
2
•
são
agentes redutores.
6
Tabela 1.1 – Potenciais-padrão de redução de várias substâncias
6
.
Substâncias Potencial-padrão de redução (V)
OH· 2,80
O
3
2,07
Peróxido de Hidrogênio, H
2
O
2
1,77
Permanganato, MnO4
-
1,67
Hipoclorito, ClO
4
-
1,43
Cloro, Cl
2
1,36
Cromo (VI) 1,33
O
2
1,23
HO
2
•
-0,30
O
2
-
•
-0,33
Apesar de serem importantes ferramentas do ponto de vista ambiental, poucos
processos oxidativos avançados têm sido pesquisados a fundo em escala industrial.
Ainda existem muitas incertezas sobre o mecanismo químico exato, custo e viabilidade
dos equipamentos e do processo. No entanto, muitas pesquisas vêm sendo
desenvolvidas na tentativa de elucidar não só os mecanismos das reações, como também
a eficiência comparativa dos diferentes processos oxidativos avançados.
7
Os processos avançados de oxidação mais comuns envolvem o uso de radiação
ultra-violeta aplicada ou não com H
2
O
2
, reagentes de Fenton, ozonólise, sonólise e a
fotocatálise heterogênea. As combinações destes processos oxidativos têm sido testadas
como alternativas aos processos de tratamento, com muitos resultados promissores.
6
1.1.1 Sistema UV e UV/H
2
O
2
Quando contaminantes orgânicos absorvem luz, principalmente na região do
ultravioleta, eles podem estar susceptíveis à degradação. A luz ultra-violeta é muito
energética e pode romper muitas ligações químicas com degradação da molécula,
podendo levar à formação de intermediários ou a sua total mineralização.
8
A fotólise pode promover reações de oxidação/redução se a energia
eletromagnética fornecida for equivalente à energia necessária para promover os
elétrons do estado fundamental para o estado excitado. As reações fotolíticas podem ser
induzidas diretamente, se os compostos absorventes forem as espécies a serem
degradadas, ou indiretamente, se os compostos absorventes estiverem disponíveis para
transferir a energia de um fóton para as espécies a serem remediadas.
8
Entretanto, tem
sido verificado que a fotólise de poluentes orgânicos no ambiente tem se mostrado
difícil, uma vez que ela depende fortemente da reatividade e da fotosensitividade do
composto contaminante. Além disso, a maior parte dessas substâncias são
freqüentemente resistentes à luz.
A combinação do peróxido de hidrogênio com a radiação ultra-violeta tem
alcançado grande êxito em descontaminações ambientais. O sistema H
2
O
2
/UV se baseia
no fato da molécula de H
2
O
2
absorver radiação ultravioleta e se dissociar formando
radicais •OH altamente reativos, como citado acima e mostrado na equação abaixo:
H
2
O
2
+ hν
νν
ν →
→→
→ 2 •OH
Em muitos casos, a radiação UV pode degradar um poluente orgânico.
Entretanto, o tempo requerido de irradiação para se obter uma boa eficiência de
degradação é muito grande, o que tornaria o processo inviável. Da mesma forma,
muitas substâncias são susceptíveis a oxidação com H
2
O
2
na ausência de radiação,
mesmo em temperatura ambiente. A desvantagem deste processo é que o tempo de
reação é freqüentemente muito longo. Se o H
2
O
2
é aplicado simultaneamente com a
radiação UV, ocorre um drástico aumento da taxa de degradação dessas substâncias se
comparada com a taxa de degradação dos poluentes orgânicos quando H
2
O
2
e UV são
aplicados isoladamente.
9
Vários trabalhos relatam que o processo de oxidação UV/H
2
O
2
é capaz de
destruir totalmente a estrutura cromófora dos azo corantes.
10
7
A combinação de H
2
O
2
e radiação solar ou ultravioleta para a degradação
fotoquímica de corantes têxteis, sem a utilização de um catalisador sólido, tem se
mostrado muito eficiente. A fotooxidação dos corantes Yellow Procion H-4R, Bright
Blue Remazol (blue reagent-19), Red Procion HE7B e a mistura dos dois últimos foi
investigada por Costa e colaboradores.
11
A eficiência da fotooxidação foi comparada
utilizando peróxido de hidrogênio (30%) com radiação solar ou radiação ultra-violeta. A
cor do corante Bright Blue Remazol, bem como a cor da solução em que se tinha uma
mistura dos corantes Red Procion e Bright Blue Remazol foi praticamente removida
depois de 3 horas, seja por radiação solar ou ultravioleta, com 70% de mineralização. Já
para os corantes Red Procion ou Yellow Procion, a remoção de 93% da cor foi obtida
depois de 6 horas, usando-se o sistema UV/H
2
O
2
, com uma mineralização de
aproximadamente 20-25%. Neste caso houve a produção de intermediários coloridos
que requereram um maior tempo de fotooxidação para a completa mineralização.
1.1.2 Ozonólise
A ozonização da água para tratamento, com ou sem ação da radiação UV, tem
sido extensivamente relatada na literatura.
12
O ozônio, a forma triatômica do oxigênio, é um gás incolor de odor pungente.
Além disso, é um agente oxidante poderoso (E
0
= 2,08 V) quando comparado a outros
agentes oxidantes conhecidos, como por exemplo H
2
O
2
(E
0
= 1,78 V), o que permite
que esta espécie reaja com uma numerosa classe de compostos.
13
Em fase aquosa, o
ozônio se decompõe rapidamente a oxigênio e espécies radicalares. Dessa forma,
quando um efluente tratado com ozônio é lançado no meio ambiente, não haverá
resíduos de oxidante que possa ser danoso à biota aquática.
A oxidação de poluentes por ozônio pode ocorrer de maneira direta ou indireta.
13
Na oxidação direta, a molécula de ozônio pode reagir diretamente com outras moléculas
orgânicas ou inorgânicas via adição eletrofílica, como mostrado a seguir.
14
O ataque
eletrofílico do ozônio pode acontecer a átomos com uma densidade de carga negativa
(N, P, O ou carbonos nucleofílicos) ou a ligações duplas e triplas do tipo carbono-
carbono, carbono-nitrogênio e nitrogênio-nitrogênio.
NO
2
-
+ O
3
→
→→
→ NO
3
-
+ O
2
CN
-
+ O
3
→
→→
→ CNO
-
+ O
2
SO
3
2-
+ O
3
→
→→
→ SO
4
2-
+ O
2
8
R
2
C=CR
2
+ O
3
→
→→
→ RCHO , R
2
CO, RCOOH (onde R = radical alquila ou H)
Indiretamente, o ozônio pode reagir através de reação radicalar, principalmente
pelo OH
•
, que é gerado pela decomposição do ozônio.
14
O radical hidroxila é um
oxidante poderoso e não seletivo, que pode reagir através de três mecanismos distintos:
i)abstração de hidrogênio ii) transferência de elétrons ou iii) adição radicalar.
14
Os
radicais secundários formados durante estas reações podem novamente reagir com
ozônio ou outros compostos.
O
3
+ H
2
O H
2
O
2
+ O
2
H
2
O
2
2 OH
•
••
•
O
3
+ OH
-
→
→→
→ O
2
-
+ HO
2
•
••
•
O
3
+ HO
2
•
••
•
→
→→
→
2 O
2
+ OH
•
••
•
Cl
3
CH + OH
•
••
•
→
→→
→ Cl
3
C
•
••
•
+ H
2
O (abstração de hidrogênio)
CO
3
2-
+ OH
•
••
•
→
→→
→ CO
3
•
••
• -
+
-
OH (transferência de elétrons)
+
OH
OH
H
adição radicalar
Para o tratamento de efluente têxtil, o ozônio se mostra muito atrativo.
Geralmente, os cromóforos encontrados neste efluente são compostos orgânicos com
grande conjugação de ligações duplas. Estas ligações podem ser rompidas por ozônio
(direta ou indiretamente) formando moléculas menores e descolorindo o efluente. Neste
sentido, vários estudos têm sido realizados demonstrando a eficiência do ozônio na
remoção de cor em efluentes têxteis. Hung-Yee e Ming-Chin
15
investigaram a
descoloração de azo corantes utilizando a ozonólise, bem como o sistema UV/O
3.
Os
autores observaram que durante o processo de oxidação de alguns corantes dessa classe,
ocorria uma diminuição do pH, tornando o meio mais ácido. Este aumento da acidez
resulta da oxidação e quebra da ligação R
+
- (SO
3
-
) da estrutura dos azo corantes,
resultando na formação de H
2
SO
4
. Em ambos os processos, a taxa de descoloração dos
corantes seguiu uma reação de pseudo-primeira ordem com respeito a concentração do
corante. Hung-Yee Shu
16
observou a efetiva descoloração do corante Direct Blue
199 pelos processos de ozonização, UV/H
2
O
2
e ozonização com UV/H
2
O
2
9
sequencialmente. Os resultados mostraram que os três processos de oxidação são
adequados para a completa descoloração deste corante proveniente da indústria têxtil. A
ozonização reduziu rapidamente a cor, alcançando um máximo de 83% de descoloração,
mas diminuiu apenas 4% no conteúdo de carbono orgânico total. Por outro lado, o
processo empregando O
3
e UV/H
2
O
2
, reduziu 99% da cor e removeu 92% do conteúdo
de carbono orgânico. Além disso, a combinação dos dois processos diminuiu também o
tempo de degradação.
1.1.3 Fotocatálise Heterogênea
O princípio da fotocatálise heterogênea envolve a ativação de um semicondutor
(geralmente TiO
2
) por luz solar ou artificial. Um semicondutor é caracterizado por
bandas de valência (BV) e bandas de condução (BC) sendo a região entre elas chamada
de “bandgap”. A absorção de fótons com energia superior à energia de “bandgap”
resulta na promoção de um elétron da banda de valência para a banda de condução com
geração concomitante de uma lacuna (h
+
) na banda de valência.
17
A lacuna, então, possuirá potencial bastante elevado e suficientemente positivo
para gerar radicais OH
•
a partir de moléculas de água adsorvidas na superfície do
condutor, os quais podem então oxidar o contaminante orgânico até a completa
mineralização. O elétron da banda de condução é capturado pelo oxigênio, gerando
radicais superóxidos que também podem promover a oxidação de compostos orgânicos,
como pode ser visto nas equações abaixo:
TiO
2
+ hν
νν
ν →
→→
→ e
BC
-
+ h
BV
+
O
2
+ e
BC
-
→
→→
→ O
2
•
••
•-
O
2
•
••
•-
+ H
2
O →
→→
→ OH
•
••
•
+ OH
-
+ O
2
+ HO
2
-
H
2
O + h
BV
+
→
→→
→ OH
•
••
•
+ H
+
A aplicação da fotocatálise em contaminantes de relevância ambiental tem sido
estudada. Guettay e Amar
18
estudaram a cinética de degradação fotocatalítica do corante
Metil Orange e verificaram uma rápida descoloração do composto. Zhang e
colaboradores
19
investigaram a degradação do corante Eritrosina, utilizado na indústria
alimentícia, através da fotocatálise heterogênea. Observaram conversão de 28,1 e 8,0%
da eritrosina em CO
2
nas soluções irradiadas com luz visível na presença e ausência de
TiO
2
, respectivamente. Os processos oxidativos combinados fototocatálise
10
heterogênea/ozônio, utilizando TiO
2
como catalisador, proporcionaram um rápido
decréscimo da concentração dos pesticidas Alaclor, Atrazine, Clorfenvifos e Diuron em
solução aquosa, nas investigações de Farré e colaboradores.
20
O processo de degradação
se deu através da oxidação das moléculas orgânicas por meio de suas reações com os
radicais hidroxila gerados.
O TiO
2
tem sido o catalisador mais empregado na fotocatálise, embora sua
aplicação para o tratamento de efluentes seja ainda inviável. Este semicondutor tem
demonstrado alta atividade fotocatalítica e uma grande resistência à foto corrosão.
21
Apresentando um amplo “bandgap” de energia (Eg = 3,2 eV), o TiO
2
absorve apenas
radiação com comprimento de onda abaixo de 400 nm para gerar o par e-/h+. Como
menos de 5% da energia solar que alcança a superfície da terra é luz ultravioleta, fontes
de luz artificial, como lâmpadas de mercúrio e Xe precisam ser utilizadas, dificultando
a aplicação do processo catalítico.
21
Outras limitações encontradas na fotocatálise também têm dificultado a sua
consolidação como alternativa de tratamento em grande escala. Dentre as mais
importantes destacam-se as dificuldades da penetração da radiação no meio de reação,
na separação dos fotocatalisadores
22
(uma vez que estes são utilizados na forma de finas
suspensões) e na implementação de sistemas contínuos em grande escala.
Alguns estudos têm tentado contornar os problemas encontrados na fotocatálise
heterogênea. Dentre as várias alternativas estudadas encontram-se o desenvolvimento de
fotocatalisadores de maior eficiência (catalisadores dopados com íons metálicos)
22
, a
implementação de sistemas que operem com fotocatalisadores imobilizados
23
e a
utilização de fotocatalisadores passíveis de ativação por luz solar.
14
24
25
1.1.4 Energia Ultra Sônica
Dentre os processos avançados de oxidação encontra-se, também, os que
utilizam a energia ultrasônica. Os métodos de degradação sonoquímica são
relativamente novos e envolvem a exposição da solução aquosa contendo o poluente
orgânico ao ultra-som.
26
A principal vantagem da utilização do ultra-som permanece na simplicidade de
seu uso. A propagação de ondas do ultra-som leva a formação de bolhas de cavitação.
Um pré-requisito para a formação destas bolhas é a presença de gás dissolvido. O
colapso destas bolhas gera condições extremas como altas temperaturas e pressões,
levando a dissociação da H
2
O e a produção de espécies radicalares tais como OH
•
e
11
HOO
•
. Estes radicais podem então se recombinar ou reagir com outras espécies
químicas presentes no meio.
26
Algumas freqüências do ultra-som são especialmente mais favoráveis para a
geração de radicais hidroxila, possivelmente devido a taxas de produção mais rápidas. A
freqüência ótima de sonicação para uma produção máxima de radicais hidroxila é cerca
de 500-600 kHz .
26
A degradação do corante têxtil Remazol Black B foi investigada usando-se um
gerador ultrasônico de alta freqüência.
26
Os radicais OH
•
iniciaram a degradação
oxidativa do corante, resultando em 65% da sua mineralização, como indicado pelas
medidas de carbono orgânico total. A cromatografia indicou que os componentes
remanescentes foram oxalatos, sulfatos e íons nitrato.
1.1.5 Sistema Fenton
O sistema Fenton é um dos sistemas mais ativos e promissores para a oxidação
de compostos orgânicos em água.
27
Na reação de Fenton, o íon Fe
2+
reage com H
2
O
2
gerando in situ radicais
hidroxila
27
, como mostrado na equação abaixo:
Fe
2+
+ H
2
O
2
→
→→
→ Fe
3+
+ OH
•
••
•
+ OH
-
Os radicais livres podem então atacar os compostos orgânicos presentes na água,
levando à oxidação e produzindo CO
2
e H
2
O.
2 OH
•
••
•
+ RH →
→→
→ ROH + H
2
O →
→→
→ CO
2
/H
2
O
Outro sistema muito utilizado na remediação de corpos d’água é o processo
Foto-Fenton, que tem atraído grande interesse devido a sua alta eficiência em gerar
radicais hidroxila (OH
•
) durante a decomposição do H
2
O
2
catalisada por Fe
2+
em meio
ácido e irradiação UV.
28
Fe
2+
+ H
2
O
2
→
→→
→ Fe
3+
+ OH
•
••
•
+ OH
-
Fe
3+
+ H
2
O
+ hν Fe
2+
+ OH
•
••
•
Fe
2+
+ H
2
O
2
Fe
3+
+ OH
•
••
•
+ OH
-
H
2
O
2
+ hν 2 OH
•
••
•
Apresenta como vantagem a utilização de reagentes de custo relativamente
baixo, sais de Fe(II) e H
2
O
2
, além da irradiação solar, que é intensa na maior parte do
país e pode ser usada no sistema Foto-Fenton.
12
Este processo tem sido aplicado na degradação de soluções aquosas contendo
Benzeno, Tolueno e Xileno (BTX).
28
Os resultados indicam que o tratamento permite a
mineralização parcial de BTX, com remoção de mais de 80% de intermediários
fenólicos, num tempo de reação de 30 min.
A utilização de reações Foto-Fenton no tratamento de efluentes com resíduos
agrícolas tem sido estudada. O processo foi aplicado ao tratamento de água de lavagem
de vasilhame dos herbicidas Diuron e Tebutiuron. Dependendo da fonte de ferro
utilizada, pôde-se obter aproximadamente 100% de mineralização, tanto para os
herbicidas individuais quanto para a mistura dos mesmos, o que evidencia a
potencialidade de aplicação deste processo sob ação da luz solar para tratamento de
águas contaminadas com estes compostos.
29
Diferentes tipos de resinas (catiônicas, aniônicas e polímeros anfotéricos) têm
sido utilizadas como suporte de espécies de ferro fotoativos para melhorar a catálise de
corantes catiônicos e aniônicos em meio aquoso.
30
Embora possa mineralizar vários compostos orgânicos, o sistema Fenton
clássico também apresenta muitas desvantagens. Neste tipo de sistema, o pH do meio
influencia a extensão da oxidação, sendo que o pH ótimo de operação do sistema Fenton
é próximo a 3 . Neste pH, evita-se que os íons ferro sejam precipitados na forma de
hidróxidos. Para se ajustar o pH do meio a 3, são utilizados grandes volumes de ácido,
normalmente ácido sulfúrico. Assim, antes desse sistema ser descartado, são realizadas
neutralizações com uma base, como NaOH, levando à formação de grandes quantidades
de resíduo (lodo), que também deverão ser descartados.
31
Além disso, a reação Fenton é favorecida pelo aumento da temperatura.
Entretanto, para valores superiores a 40-50ºC, H
2
O
2
é decomposto rapidamente em água
e oxigênio, diminuindo a eficiência do processo.
31
1.2 Processos de degradação utilizando Fe
0
e óxidos de ferro
Metais de valência zero têm sido utilizados na degradação redutiva de
substâncias de interesse ambiental. Durante os últimos anos, o ferro metálico tem
ganhado popularidade com um tratamento opcional para a remediação de compostos
químicos antropogênicos, devido ao seu baixo custo, eficiência e não toxicidadade.
32
O
Fe
0
tem sido capaz de promover a degradação de um grande número de moléculas alvo,
via a redução de seus grupos funcionais. Por exemplo, a literatura cita a utilização do
13
Fe
0
na declorinação de pesticidas, na degradação redutiva do tetracloreto, nitrobenzenos
e corantes do grupo azo.
33,34,35
Apesar da maioria dos estudos de degradação de moléculas orgânicas por Fe
0
,
focarem em mecanismos redutivos, partículas de Fe
0
também podem ser usadas para
iniciar reações oxidativas. No trabalho de Joo et al.
36
, os pesquisadores verificaram a
formação de radicais hidroxila, via reação direta de Fe
0
com H
2
O
2
, em meio ácido, via
um mecanismo tipo Fenton:
Fe
o
+ 2H
+
→ Fe
2+
+ H
2
(1)
Fe
2+
+ H
2
O
2
→ Fe
3+
+
OH
•
+ HO
-
(2)
Mais recentemente, um novo compósito, Fe
0
/Fe
3
O
4
, na presença de H
2
O
2
, tem
sido reportado como um eficiente sistema na degradação de moléculas orgânicas em
solução aquosa.
37
Neste sistema, tipo Fenton heterogêneo, os autores propuseram que os
radicais hidroxila poderiam ser formados via a reação de H
2
O
2
e Fe
2+
. O Fe
2+
seria
gerado por meio de uma reação direta entre Fe
0
e Fe
3+
na superfície do compósito.
Os sistemas Fenton heterogêneo mostram várias vantagens com relação ao
sistema Fenton homogêneo clássico, como por exemplo operação em pH neutro, não
necessitando das etapas de acidificação (para pH 3) e posterior neutralização, evitando a
geração de lodo, além do sistema poder ser reciclado/regenerado.
38
No trabalho de Moura, compósitos do tipo Fe
0
/F
3
O
4
proporcionaram um grande
aumento na atividade de decomposição de H
2
O
2
e oxidação da molécula Azul de
Metileno, quando comparado com as atividades de Fe
0
e Fe
3
O
4
individualmente
37
.
Em outro estudo, foi investigada a eficiência de compósitos de Fe° com óxidos
do tipo perovskitas (LaMnO
3
e LaFeO
3
) na decomposição catalítica do peróxido de
hidrogênio.
39
Na presença de ambas as perovskitas puras, LaMnO
3
e LaFeO
3,
a
decomposição de H
2
O
2
foi bastante lenta, com constantes de velocidade k = 9,1 e 13,3 x
10
-4
min
-1
, respectivamente. No entanto, a adição de Fe° na preparação do compósito
Fe°/LaMnO
3
resultou num grande aumento na velocidade de reação. Já o compósito
Fe°/LaFeO
3
, não apresentou diferença significativa em relação a LaFeO
3
, mostrando
atividade muito baixa na decomposição do H
2
O
2
.
1.3 Técnicas analíticas utilizadas
São inúmeras as técnicas que podem ser utilizadas na identificação e
monitoramento da degradação de compostos orgânicos. Entretanto, neste trabalho,
14
destacam-se a Espectrometria de Massas com fonte de Ionização por Electrospray e a
Espectrofotometria de Absorção Molecular na região do Ultravioleta-Visível.
1.4 Espectrometria de massas
A espectrometria de massas é, essencialmente, uma técnica de ionização e de
medidas de massas.
41
Um espectrômetro de massas pode ser entendido, via de regra, como um
instrumento contendo uma fonte de íons, um analisador de massas, um detector e um
registrador.
40
O analisador de massas mede os íons de acordo com sua razão
massa/carga (m/z) que, chegando ao detector, geram um sinal elétrico interpretado na
forma de espectro de massas. A partir do valor de m/z, consegue-se estimar ou obter o
valor exato da massa molar da substância. Quase todas as substâncias podem ser
analisadas por EM, já que existem diversos tipos de fontes de ionização, analisadores de
massas e detectores.
1.4.1. Métodos de ionização
Na fonte de íons, as amostras analisadas são ionizadas para posterior análise no
espectrômetro de massas. Algumas técnicas de ionização são muito energéticas e
causam extensivas fragmentações. Outras técnicas são mais suaves e produzem somente
espécies moleculares. Os métodos de geração de íons em espectrometria de massas
utilizados neste trabalho foram: ionização por elétrons (EI), ionização química (CI) e
ionização por electrospray (ESI).
1.4.1.1 Ionização por elétrons (EI)
Na ionização por elétrons, moléculas neutras na fase gasosa, obtidas por
dessorção térmica, a uma pressão de aproximadamente 10
-5
torr, são bombardeadas por
elétrons, com energia típica de 70 eV. Assim, ocorre a retirada ou captura de um
elétron, formando íons M
•+
ou M
•-
. A geração de íons positivos é predominante, cerca
de 100 vezes mais que íons negativos.
M + e
-
(70 eV) → M
•+
(∼5eV) + 2e
-
(65 eV)
15
A ionização por impacto de elétrons pode produzir tanto o íon molecular como
também fragmentos, uma vez que os íons moleculares
M
•+
são formados com excesso
de energia interna e podem se fragmentar, total ou parcialmente. Esta fragmentação
pode ser proveitosa, porque fornece informações necessárias para a elucidação da
estrutura de um analito não conhecido.
41
Geralmente, EI aplica-se a moléculas de média e baixa polaridade, relativamente
pequenas, voláteis e termo-estáveis. Este tipo de ionização é bastante popular, fácil de
operar, além de apresentar alta sensibilidade e estabilidade.
41
1.4.1.2 Ionização Química (CI)
A ionização química é uma técnica que produz íons com pequeno excesso de
energia interna. Deste modo, esta técnica apresenta a vantagem de produzir um espectro
com menos fragmentação, no qual o íon molecular é facilmente reconhecido.
41
Consiste da produção de íons através da colisão da molécula a ser analisada com
gás reagente introduzido na fonte a uma pressão de 1 Torr. Os gases reagentes mais
comuns são o metano, amônia e isobutano.
41
Convém lembrar que, primeiramente, uma parte das moléculas do gás reagente é
ionizada por elétrons. Os íons resultantes colidem com outras moléculas de gás
reagente, gerando um plasma de ionização através de uma série de reações.
Posteriormente, os íons da substância a ser analisada são formados por reações químicas
com íons deste plasma.
41
Este fenômeno pode causar transferência de próton,
transferência de cargas, abstração de hidreto, além da formação de adutos entre a
molécula neutra (M) e o íon reagente (por exemplo M-NH
4
+
).
A ionização do metano e conseqüente reação íon-molécula formando o íon
[M + H]
+
é mostrada abaixo:
41
CH
4
+ e
-
→ CH
4
•+
+ 2 e
-
CH
4
•+
+ CH
4
→ CH
5
+
+ CH
3
•
M + CH
5
+
→ [M + H]
+
+ CH
4
16
Assim como na ionização por elétrons, a CI aplica-se a moléculas de média e
baixa polaridade, de baixo peso molecular, voláteis e termo-estáveis.
41
Em alguns casos, a ionização química no modo negativo (NCI) apresenta maior
sensibilidade analítica que a ionização por elétrons. A NCI tem sido muito empregada
para amostras com grupos de alta afinidade eletrônica, como halogênios,
hidrocarbonetos poliaromáticos, nitrocompostos, pesticidas clorados e fosforados.
41
As desvantagens apresentadas pela ionização química referem-se ao fato de que
as interações entre o gás reagente e a amostra podem complicar a análise do espectro,
além de diminuir o tempo de vida do filamento.
1.4.1.3 Ionização por Electrospray (ESI)
Em 1968, Dole
42
sugeriu o “electrospray” como um possível modo de ionização
para espectrometria de massas, mas, infelizmente, seus experimentos não foram
convincentes. Yamashita e Fenn, em 1984, demonstraram a aplicabilidade da fonte de
“electrospray” como um método de ionização branda.
43
Em 2002, John Fenn recebeu o
prêmio Nobel em Química devido aos avanços proporcionados pela técnica, como o
sequenciamento de peptídeos.
Este tipo de ionização surgiu como uma alternativa para a geração de íons a
partir de espécies pouco voláteis presentes em fase líquida. Embora seja considerada
como uma fonte de ionização, o “electrospray” é, na realidade, um processo de
transferência de íons pré-existentes em solução para a fase gasosa.
A ionização por “electrospray” envolve a formação de um “spray” eletrolítico, a
partir do qual são geradas pequenas gotas carregadas e destas são liberados os íons. Sob
pressão atmosférica, uma fonte de alta tensão (1000 a 7000 V) é aplicada à solução
contendo eletrólitos. Tipicamente, esta solução é bombeada através de um capilar com
vazão inferior a 10 µL/min.
40
A voltagem aplicada à solução pode ser positiva ou
negativa, dependendo das características da amostra. Um fino spray se forma na
presença do campo elétrico e gotas com excesso de carga (positiva ou negativa) são
formadas. Conforme a densidade de carga aumenta na gota, o campo elétrico formado
entre o capilar e o contra eletrodo aumenta, provocando a deformação da gota. A gota
ganha, então, a forma de um cone que é denominado de cone de Taylor. Esta gota, na
forma de cone, permanece “presa” ao capilar até o momento em que a densidade de
17
carga na superfície da gota e o aumento da repulsão entre os íons vençam a tensão
superficial do líquido, ocorrendo então a liberação de pequenas gotas com alta
densidade de carga (Figura 1.1). Estas gotas passam pela região entre a ponta do capilar
e o contra eletrodo e vão sofrendo dessolvatações.
40
Dessa forma, novamente a
densidade de carga aumenta e ocorre a liberação de íons (positivos ou negativos) para a
fase gasosa. Estes são direcionados para uma região de pressão intermediária e
conduzidos para o analisador de massas que opera numa região de alto vácuo.
A evaporação do solvente é favorecida pela energia térmica do ambiente e pelo
auxílio de um gás secante, normalmente nitrogênio. A dessolvatação ocorre
gradualmente em temperaturas relativamente baixas (tipicamente, a temperatura
ambiente até 80 °C), de forma a não gerar fragmentos. Assim, muitos dos íons gerados
na fase gasosa mantêm exatamente a mesma estrutura e carga das espécies em solução,
o que é perfeito para análise de espécies não voláteis e para estudos de especiação.
44
Figura 1.1- Representação esquemática da técnica ESI.
Existem dois diferentes mecanismos que foram propostos para a formação dos
íons na fase gasosa. O primeiro foi proposto por Dole em 1968
42
e defende a formação
de gotas extremamente pequenas, com raios de 1 nm e que contenham somente um íon.
Nesta teoria, considera-se que à medida que o solvente evapora com o auxílio do gás, a
densidade de carga na superfície da gota aumentará até que as forças repulsivas entre as
cargas iguais superem a tensão superficial, levando à divisão da gota inicial. Esse
18
processo de divisão continua até que seja alcançado um estado no qual cada gota
conterá apenas um íon. O outro mecanismo foi proposto por Thomson e Iribarne
45
e
sugere um processo de evaporação do solvente, conduzindo a uma instabilidade das
gotas devido à forças de repulsão de Coulomb entre cargas de mesmo sinal. Como
resultado, ocorre a explosão das gotas e a expulsão dos íons para a fase gasosa.
Atualmente, acredita-se que ambos os processos provavelmente estejam ocorrendo
simultaneamente.
A técnica ESI é bastante sensível e permite a análise de compostos não-voláteis,
com média e alta polaridade, com peso molecular de até 200.000 Da.
41
Nos últimos anos, a ionização por electrospray tem sido extensivamente
empregada. A literatura cita diferentes trabalhos que utilizam a técnica electrospray com
objetivos diversos, dentre eles a identificação de substâncias em soluções aquosas,
determinação de resíduos de agrotóxicos em água e alimentos, identificação de produtos
de degradação de relevância ambiental, mapeamento proteômico, screening de drogas e
adulteração em bebidas.
46-50
A detecção de Estrogênio e Bisfenol A (um intermediário químico na síntese de
resinas de policarbonato e poliéster estireno) em amostras de águas de rios, mesmo
depois de submetidas aos processos de tratamento de água convencionais, foram
identificados em concentrações relativamente baixas, utilizando-se a técnica ESI
acoplada com espectrometria de massas (ESI-MS).
46
Venkateswarlu e colaboradores
47
realizaram o monitoramento de diversos
resíduos de pesticidas, dentre eles, o Methomyl, Thiamethoxam e Imidacloprid em
amostras de uvas frescas utilizando a técnica ESI-MS.
A determinação do peso molecular e o número total de grupos sulfônicos, bem
como a identificação de corantes em solução aquosa, foram realizados utilizando a
espectrometria de massas com ionização electrospray no modo negativo. Em muitos
casos, a determinação do peso molecular e o número total de grupos ácidos foram
suficientes para a elucidação da estrutura de impurezas não conhecidas ou dos produtos
de degradação.
48, 49
Em um trabalho sobre determinação de resíduos de inseticidas em mel,
ESI(+)-MS foi usada para identificar diversos pesticidas, exibindo aceitável
recuperação, reprodutibilidade e baixo limite de detecção.
50
Seccia Serenella et al.
51
desenvolveram um método para a determinação e quantificação de resíduos de quatro
19
inseticidas neonicotinóides: Acetamiprid, Imidacloprid, Thiacloprid e Thiamethoxam
em água tratada para consumo. Estes inseticidas foram extraídos da água por extração
em fase sólida (SPE) e a determinação e quantificação dos mesmos foram realizadas
pela técnica LC-ESI-MS. A média de recuperação dos quatro analitos nas amostras de
água variou de 95 a 104%, com desvio de padrão relativo menor que 20%.
Ortelli e colaboradores
52
aperfeiçoaram um método para a determinação de 74
pesticidas em frutos e vegetais, incluindo carbamatos, benzimidazoles, fungicidas e
inseticidas. Resíduos de pesticidas foram extraídos das amostras com acetato de etila e
as análises foram realizadas por cromatografia líquida acoplada à espectrometria de
massas com fonte de ionização electrospray. Foram obtidas boa sensibilidade e
seletividade, com limites de quantificação de 0,01 mg/kg em quase todos os casos. Mais
de 2500 amostras de frutos e vegetais tem sido controladas por este método, como parte
do programa de monitoramento de pesticidas do "Service de Protection de la
Consommation” em Geneva. Ferrer eThurman
53
também utilizaram com êxito a técnica
ESI-MS para a análise de 101 pesticidas e seus metabólitos em amostras de águas e
alimentos.
Como pôde ser observado, a técnica ESI-MS permite a análise de diferentes
classes de compostos simultaneamente, reduzindo os custos e o tempo necessário para
as análises de rotina em diversas empresas e instituições.
1.4.2 Analisadores de massa
Após serem ionizados, os íons são acelerados através de campos elétricos e
lentes para uma região sob alto vácuo, denominada analisador de massas. Existem
vários tipos de analisadores. Os mais comuns são os quadrupolos, ion trap e tempo de
vôo.
Um analisador quadrupolo consiste de quatro barras metálicas paralelas sujeitas
a uma diferença de potencial constante e um potencial de radiofreqüência oscilante. O
campo elétrico desvia os íons numa trajetória complexa e permite que somente íons de
uma determinada razão m/z alcancem o detector. Os demais íons (íons não ressonantes)
colidem com os pólos e são neutralizados.
54
Instrumentos que combinam vários analisadores em seqüência, tais como na
espectrometria de massas sequencial (MS/MS), são muito comuns.
41
Eles permitem
20
obter um espectro de massas resultante da fragmentação de um íon selecionado no
primeiro analisador. Por exemplo, em um espectrômetro de massas com um triplo
quadrupolo, um determinado íon é isolado em Q1, colide com moléculas de gás inerte
em Q2 e os fragmentos formados são analisados em Q3.
Nos analisadores quadrupolares tridimensionais, denominados “ion trap”
(armadilha de íons), íons de diferentes massas ficam aprisionados no trap e, após algum
tempo, são liberados sequencialmente para o detector por uma varredura do campo
elétrico.
54
Neste caso, também é possível realizar experimentos de espectrometria de
massas seqüencial, MS/MS. Após fazer uma varredura completa de determinada
substância, é possível isolar um único íon no ion trap, fragmentá-lo por colisão com gás
inerte, geralmente hélio ou argônio, e originar íons filhos. Além disso, também é
possível selecionar um íon filho e fragmentá-lo sequencialmente. Este recurso é uma
ótima ferramenta, que pode fornecer informações preciosas na análise de várias
substâncias.
Nos espectrômetros de massas que medem o tempo de vôo, as partículas são
submetidas a uma diferença de potencial e atingem uma mesma energia cinética.
Entretanto, como os íons apresentam diferentes valores de m/z, também possuirão
diferentes velocidades. Íons leves viajam mais rápido e alcançam o detector antes dos
íons mais pesados, ou seja, os íons alcançam o detector de acordo com a ordem
crescente de suas massas.
54
Em todos os analisadores, três principais características devem ser observadas:
limite de massa medido, transmissão e resolução. O limite de massa determina o mais
alto valor de razão m/z que pode ser medido. A transmissão é a razão entre o número de
íons que alcançam o detector e o número de íons produzidos na fonte. O poder de
resolução é a habilidade em distinguir sinais para dois íons com uma pequena diferença
de massa.
41
21
1.5 Espectrofotometria de Absorção Molecular na região do Ultravioleta-Visível
(EAM-UV-Vis).
A espectrofotometria é um processo de medida que, basicamente, emprega as
propriedades dos átomos e moléculas de absorver e/ou emitir energia eletromagnética
em uma das regiões do espectro eletromagnético
55
, que é apresentado na figura abaixo.
Raios
Cósmicos
Raios
γ
Raios
X
Ultra-
violeta
Visível Infra-
vermelho
Microondas Rádio
10
-
12
10
-
11
10
-
8
10
-
6
10
-
3
10
-
1
Comprimento de onda (metros)
Violeta Azul Verde Amarelo Laranja Vermelho Roxo
400 500 600 700 800
Comprimento de onda (nm)
Figura 1.2- Espectro eletromagnético.
A porção do espectro eletromagnético compreendida entre 380 e 780 nm é
denominada região “visível”. Esta região é utilizada com freqüência na determinação de
inúmeras substâncias que formam soluções coloridas.
55
A luz visível é a radiação à qual o olho humano é sensível. Em comprimentos de
onda diferentes, a radiação dá origem às diferentes cores. A mistura destes
comprimentos de onda constitui a luz branca, que cobre o chamado espectro visível.
41
A parte de uma molécula responsável pela absorção de luz é chamada de
cromóforo. Qualquer substância que absorve a luz visível aparece colorida quando a luz
branca é transmitida por ela ou refletida a partir dela. A substância absorve certos
22
comprimentos da onda de luz branca e nossos olhos detectam os comprimentos de onda
que não são absorvidos. A cor observada é chamada de complementar da cor
absorvida.
56
A região do ultra-violeta próximo estende-se de 200 a 380 nm.
57
Muitos
compostos absorvem luz nesta região do espectro eletromagnético.
Cada região espectral está associada a um determinado tipo de transição quântica
sendo que, a região UV–visível relaciona-se às transições de elétrons de valência. As
cores de muitos complexos metálicos, com ligantes orgânicos, são provocadas por
transições eletrônicas d
→
d no íon metálico e por transições n
→
π
* e
π
→
π
* no
ligante.
O equipamento utilizado para medir a absorbância da luz é o espectrofotômetro.
As partes principais deste equipamento são uma fonte de energia radiante, um
monocromador, isto é, um dispositivo capaz de isolar um feixe de luz monocromática,
células de vidro ou de quartzo e um dispositivo para receber ou medir o feixe de energia
radiante que passa pelo solvente ou pela solução.
56
A fonte de luz mais apropriada para
a região do ultra-violeta (200-380 nm) é a lâmpada de descarga de hidrogênio ou de
deutério. Na região visível, usa-se uma lâmpada de filamento de tungstênio (380-780
nm).
41
A fim de se obter uma informação útil do espectro de um composto no ultra-
violeta ou no visível, devemos medir cuidadosamente o comprimento de onda de
absorção máxima (λ
máx
) e a intensidade da absorção. No comprimento de máxima
absorbância, a curva é relativamente achatada no máximo, de forma que ocorre apenas
uma pequena variação na absorbância se o monocromador se deslocar um pouco ou se a
largura da banda selecionada mudar ligeiramente.
56
O composto a ser analisado deve ser dissolvido em um solvente apropriado que
não absorva luz na região estudada. Os solventes mais utilizados em determinações
espectrais são: água, álcool etílico 95% e hexano. As posições dos picos de absorção de
um composto são geralmente deslocadas se forem usados solventes diferentes.
Instrumentos superiores são dotados de aperfeiçoamentos mecânicos que
prolongam a região de menor comprimento de onda até 195 nm. A maior limitação
nesta região de menor comprimento de onda é a presença de ar no instrumento. O
oxigênio absorve fortemente em λ < 200 nm. A técnica de usar um espectrofotômetro a
23
vácuo permite o estudo da região inferior a 200 nm. Esta região é frequentemente
chamada região do vácuo ultra-violeta.
41
A Figura 1.3 mostra um esquema da aparelhagem utilizada na análise
espectrofotométrica na região visível.
Figura 1.3 – Esquema de um espectrofotômetro que opera na região do visível.
Os espectrofotômetros fornecem resultados em termos do comprimento de onda
em função da intensidade de absorção (absorbância) de uma substância.
57
Isto só é
possível se tal substância possuir em sua estrutura, grupos e ou ligações que sejam
absorventes dentro da faixa de varredura do comprimento de onda.
A lei de Lambert–Beer, ou simplesmente Lei de Beer, mostra que a absorbância
de uma solução, em um dado comprimento de onda, é diretamente proporcional à
concentração da espécie absorvente quando o comprimento do percurso é fixo
41
, e é
expressa pela equação:
A = ε b c
A = absorbância
ε = constante de absortividade molar da espécie
b = caminho ótico ou espessura da célula
c = concentração da espécie
Portanto, obtendo uma curva de intensidade da absorção (absorbância) em
função da concentração, conhecida como curva de calibração para uma dada substância,
é possível determinar concentrações de soluções da espécie absorvente.
24
Em geral, a Lei de Beer é aplicável em um intervalo grande de concentração
quando a estrutura da espécie colorida em solução não se altera com a concentração.
Grandes quantidades de eletrólitos podem provocar um deslocamento do máximo de
absorção e também alterar o valor do coeficiente de absortividade. Outras discrepâncias
podem acontecer quando o analito colorido sofre ionização, dissociação ou associação
em solução, pois a natureza das espécies em solução varia com a concentração.
41
25
CAPÍTULO 2
Neste capítulo são apresentados os estudos realizados sobre a
degradação dos inseticidas Thiamethoxam, Imidacloprid e Methomyl em meio
aquoso, utilizando-se processos oxidativos e redutivos. A cromatografia
líquida foi usada para monitorar a degradação desses inseticidas. A
espectrometria de massas com ionização electrospray foi utilizada para
investigar os possíveis produtos de degradação do Thiamethoxam e do
Imidacloprid. Testes para avaliar a ecotoxicidade dos inseticidas
neonicotinóides (Thiamethoxam) e carbamatos (Methomyl) e seus produtos de
degradação para Artemia salina também foram realizados.
26
2.1 Introdução
Com o objetivo de aumentar a produção de alimentos e reduzir a ocorrência de
pragas e doenças, o uso de pesticidas aumenta anualmente e as preocupações com seu
destino no ambiente, bem como seus efeitos sobre os organismos não alvo, vêm se
acentuando.
O uso intensivo de produtos agrícolas, em especial pesticidas, é fato
inquestionável no Brasil, pois o mesmo encontra-se entre os cinco principais
consumidores de pesticidas do mundo
58
, uma vez que o controle de pragas e ervas
daninhas é feito quase que exclusivamente por meio da aplicação destes produtos.
Em suas diferentes formas, os pesticidas apresentam-se como inseticidas,
herbicidas, fungicidas, acaricidas e outros. Preocupações por parte de governantes,
pesquisadores e sociedade civil têm sido constantes quanto ao uso desses produtos
devido aos diferentes processos que governam seus destinos no ambiente.
Entre os motivos de preocupação está o fato de que resíduos de muitos pesticidas
têm sido encontrados em águas superficiais e subsuperficais de diferentes países.
Resíduos do inseticida/nematicida Aldicarbe, extremamente tóxico ao homem, foram
encontrados em quantidades relativamente altas em poços e minas de água em algumas
áreas agrícolas dos Estados Unidos.
59
No Brasil, detectou-se a presença de resíduos de
Aldicarbe em mananciais na região de Maria da Fé, MG.
60
Apesar da toxicidade apresentada por estes compostos, o risco potencial é ainda
aumentado pela possibilidade de gerar compostos organohalogenados por meio de suas
reações com derivados de cloro, os quais são muito utilizados na desinfecção de águas
contaminadas.
61
Além do mais, alguns contaminantes são especialmente resistentes aos
tratamentos de oxidação convencionais, e os métodos baseados na cloração são
incapazes de removê-los da água. Tratamentos baseados em processos biológicos são
freqüentemente utilizados, já que podem permitir a mineralização de compostos tóxicos.
Contudo, além de requererem um longo tempo de execução, muitas vezes não eliminam
totalmente os compostos tóxicos dos recursos hídricos.
Nos últimos anos, uma das maiores contribuições para a questão do tratamento
de resíduos foi o desenvolvimento dos Processos Oxidativos Avançados (POAs) que
são, por definição, sistemas que se fundamentam na geração de radical hidroxila, de
características fortemente oxidantes. As vantagens mais significativas deste tipo de
27
procedimento são a relativa simplicidade operacional dos sistemas e a grande eficiência
de degradação de compostos orgânicos tóxicos e persistentes.
62
A elevada reatividade do radical hidroxila e seu curto tempo de meia-vida, faz
com que seja necessária a sua produção no próprio meio reacional. Com este propósito,
várias alternativas têm sido estudadas, dentre as quais destacam-se o reagente Fenton, a
fotocatálise heterogênea, a ozonização e a radiação ultra-violeta, bem como a
combinação destes processos.
A utilização de metais de valência zero também tem sido empregada na
degradação de substâncias perigosas ao meio ambiente, particularmente compostos
nitrogenados e polihalogenados.
63
Entre os metais avaliados, o ferro tem apresentado
características atrativas, como alta eficiência, baixo custo e não tóxico (quando utilizado
em proporções adequadas). Entre os compostos submetidos à degradação redutiva por
Fe
0
, temos tetracloreto de carbono, pentaclorofenol, nitrobenzeno, corantes azo e vários
pesticidas.
64,65
Apesar da infinidade de processos que podem ser usados no tratamento de
resíduos de pesticidas e outras substâncias tóxicas, a utilização dos mesmos nem sempre
implica na degradação total das espécies poluentes. O tratamento destas substâncias
demanda um grande conhecimento das técnicas existentes e do próprio ambiente que se
pretende tratar. Além disso, é importante salientar que o desaparecimento de espécies
químicas consideradas poluentes nem sempre é um critério seguro, pois outras espécies
mais tóxicas que o composto original podem ser geradas durante o tratamento. Dessa
forma, a utilização dos processos de degradação demanda cuidados e muitos estudos
para que os métodos de tratamento possam conduzir a uma completa mineralização
dessas substâncias.
2.1.1 O inseticida Thiamethoxam
O Thiamethoxam é um inseticida sistêmico, capaz de penetrar nas raízes das
plantas e ser translocado até as folhas, junto à corrente transpiratória, através dos vasos
do xilema. É comercializado sob os nomes de Actara, para aplicação no solo e
pulverização foliar, e Cruiser, para o tratamento de sementes.
A fórmula estrutural da molécula do Thiamethoxam (3-(2-cloro-tiazol-5-ilmetil-
(1,3,5)oxadiazinan-4-ilideno-N-nitroamina), é mostrada na Figura 2.1:
28
Figura 2.1 – Estrutura química da inseticida Thiamethoxam.
O inseticida Thiamethoxam foi recentemente registrado no Brasil para o controle
de pragas de várias culturas, especialmente do cafeeiro, onde o composto é aplicado via
solo. O uso desse inseticida em regiões cafeeiras vem aumentando rapidamente, muito
embora este composto apresente alto potencial de lixiviação (solubilidade de 4,1 g L
-1
em água à 25 Cº). Devido a isso, a contaminação de lençóis freáticos e águas
superficiais por este composto deve ser considerada.
Algumas vantagens desse inseticida são o controle de uma grande variedade de
pragas, baixa taxa de aplicação no campo, excelente translocação na planta,
flexibilidade quanto ao método de aplicação e bom efeito residual sobre as culturas.
66
O Thiamethoxam é altamente tóxico a insetos e pouco tóxico a mamíferos,
apresentando DL
50
para ratos (Dose Letal a 50% dos indivíduos tratados) em torno de
1500 mg Kg
-1
de peso corporal. Entretanto, o Thiamethoxam é muito tóxico a certos
invertebrados aquáticos.
66
De acordo com Robinson
67
, o tempo de meia-vida do Thiamethoxam em
material de um solo não especificado em condições de laboratório, incubado em
ambiente aeróbico, foi de aproximadamente 300 dias. Segundo esse mesmo autor, em
condições de campo, o produto apresenta meia-vida entre 7 a 109 dias. Em amostras de
um Latossolo da região de Lavras, MG, mantidas a 25ºC e umidade a 80% da
capacidade de campo, o Thiamethoxam apresentou degradação muito lenta, com valores
de meia-vida entre 173 e 533 dias.
68
A sorção e degradação do Thiamethoxam também foram investigadas em
amostras de solos representativos do Brasil. Neste trabalho, o Thiamethoxam
apresentou baixa sorção nos solos, indicando tratar-se de um inseticida com alto
N
S
Cl
N N
O
N
CH
3
NO
2
29
potencial de lixiviação em condições de campo. Além disso, o composto revelou alta
estabilidade, apresentando tempo de meia vida variando entre 117 e 301 dias.
69
2.1.2 O inseticida Imidacloprid
O Imidacloprid 1-(6-cloro-3-piridilmetil)-N-nitroimidazolidin-2-ilidenoamino é
um inseticida relativamente novo pertencente à classe dos neonicotinóides.
70
Foi
introduzido no comércio somente na última década e hoje tem sido mundialmente usado
sob os nomes comercias de Confidor
e Gaucho
. O Imidacloprid é um dos mais
importantes inseticidas sistêmicos e apresenta uma grande diversidade de aplicações
seja na agricultura, como acaricida, ou contra pestes domésticas.
71
Sua estrutura química
pode ser vista na Figura 2.2.
Figura 2.2- Estrutura química do Imidacloprid
O Imidacloprid age no sistema nervoso central como um agonista da
acetilcolina, causando o bloqueio do sítio receptor da mesma. É moderadamente tóxico,
com DL 50 de 150 mg kg
-1
para ratos. Assim como o inseticida Thiamethoxam, o
Imidacloprid também apresenta alta mobilidade no solo
72
, o que pode ser um
inconveniente ambiental em áreas planas, com solos arenosos e lençol freático raso.
Apresentando solubilidade em água de 0,61 g L
-1
e tempo de meia vida
relativamente longo, o Imidacloprid já foi encontrado em mananciais de águas
superficiais
72
, o que justifica a grande preocupação em relação ao seu uso
indiscriminado. Vários trabalhos têm sido realizados a fim de detectar o Imidacloprid e
seus metabólitos em solos, frutos, águas e até mesmo em amostras de origem
humana.
73,74
Proença e colaboradores
74
publicaram um trabalho que relata dois casos de
suicídio em que foram utilizadas doses orais de Imidacloprid. Em ambos os casos, foi
NH
N
N
Cl
N
N
+
O
-
O
30
possível detectar a presença do inseticida em amostras do suco gástrico, amostra de
sangue e urina dos indivíduos mortos.
A degradação do Imidacloprid em solução aquosa por sistemas fotocatalíticos
foi estudada por Aguera e colaboradores.
75
Os pesquisadores investigaram a degradação
do inseticida em escala piloto por sistemas nos quais a luz UV natural pôde ser
utilizada: fotocatálise heterogênea com dióxido de titânio e sistema foto-fenton. As
condições de campo equivalentes utilizadas nas escalas piloto permitiram uma
comparação adequada do grau de mineralização e toxicidade dos produtos de
degradação gerados em ambos os sistemas. 95% de mineralização foi alcançado depois
de 250 min de tratamento fotocatalítico com o sistema Fenton e 450 min com TiO
2
,
indicando que o teor de carbono orgânico total desaparece 2,4 vezes mais rápido com o
tratamento foto-Fenton do que com o tratamento com TiO
2
. Os produtos de degradação
detectados em ambos os processos foram os mesmos. Testes de toxicidade destes
produtos de degradação à Daphnia magna não revelaram qualquer comportamento
tóxico. Em outro trabalho, Aguera et al.
76
estudaram os produtos da degradação
fotocatalítica do Methomyl com partículas de TiO
2
irradiadas pela luz solar com o
auxílio das técnicas GC-MS com os modos de ionização EI e CI e LC-APCI-MS. Estas
técnicas permitiram a identificação de 5 produtos de degradação, os quais podem ser
vistos na Figura 2.3:
31
Figura 2.3- Esquema de degradação proposto por Aguera et al.
76
para a degradação
fotocatalítica do Imidacloprid com TiO
2
em solução aquosa.
2.1.3 O inseticida Methomyl
O Methomyl, pesticida pertencente à classe dos metilcarbamatos de oxima, é um
inseticida amplamente usado no controle de insetos e pestes nematóides, pela inibição
da enzima acetilcolinesterase. Este inseticida tem sido utilizado em culturas de algodão,
batata, couve, brócolis, repolho, milho, soja, tomate e trigo.
O nome IUPAC do Methomyl é [S-metil N-(metilcarbamoxil) tiocetamida] e a
formulação mais utilizada do mesmo é comercializada sob o nome de Lannate®. O
Methomyl tem sido classificado pela Organização Mundial da Saúde, pela Agência de
Proteção Ambiental (EPA, USA) e pela Comissão Européia como um pesticida
perigoso ao meio ambiente pois, por apresentar alta solubilidade em água (57,9 g L
-1
a
25 ºC) e baixa afinidade por solos
77
, o Methomyl pode facilmente contaminar fontes de
água superficiais e subsuperficiais.
78
Além disso, este inseticida é altamente tóxico para
microcrustáceos e muito tóxico para abelhas. Em humanos, o produto pode causar
N
Cl CH
2
N
NH
N
NO
2
Imidacloprid M=255
composto D M= 225
composto E M= 198
N
Cl COH
N
Cl CH
2
N
NH
O
composto C M= 211
composto A M= 141
N
Cl COOH
32
irritação da pele, dos olhos, do trato respiratório e do trato gastrintestinal. Também pode
causar inibição das colinesterases e depressão do sistema nervoso central.
79
A Figura
2.4 apresenta a estrutura química do Methomyl:
Figura 2.4- Estrutura química do Methomyl
Recentemente, tem sido mostrado que tratamentos fotocatalíticos como a
fotocatálise heterogênea e o sistema foto-Fenton , usando luz UV proveniente da
radiação solar, têm sido utilizados para a degradação de pesticidas em solução aquosa,
dentre eles, o Methomyl.
78,79,80
Por exemplo,
Oller e colaboradores
81
estudaram a
degradação do Methomyl, bem como sua taxa de mineralização, utilizando processos
fotocatalíticos, como os sistemas foto-Fenton e TiO
2
, irradiados pela luz solar. Os
pesquisadores obtiveram cerca de 80% de mineralização em ambos os experimentos
fotocatalíticos; entretanto, o tempo de iluminação necessário para o sistema foto-Fenton
mostrou ser quatro vezes menor que o tempo necessário utilizado para degradar o
Methomyl com as partículas de TiO
2
.
Tamimi e colaboradores
79
estudaram a degradação do Methomyl em solução
aquosa na presença de radiação UV e partículas de TiO
2
. Sob estas condições, houve a
completa degradação do composto em 45 minutos de reação e 80% de remoção do teor
de carbono orgânico total em menos de 4 horas. A identificação dos produtos
intermediários da reação foi realizada usando as técnicas acopladas HPLC-MS, com
fonte de ionização electrospray no modo positivo. Três principais intermediários foram
identificados resultando de: 1) ruptura da ligação éster, 2) hidroxilação do grupo metil e
3) decarboxilação do grupo metil hidroxilado. A rota de degradação fotocalítica do
Methomyl, proposta por Tamimi et al.
79
pode ser vista na Figura 2.5:
CH
3
NHCO
2
N C
S
S
33
N C
CO
2
S
H
3
C
H
O
O N C
CH
3
CH
3
Me
t
h
o
m
y
l (
M
= 162)
(
M
= 105)(
M
= 178)
(
M
= 148)
r
e
arra
n
jo
ac
e
to
n
itrila
ac
e
ta
m
i
d
a
áci
d
o o
x
álico
áci
d
o glic
ó
lico
áci
d
o ac
é
tico
N C
S
H
2
C
H
O
O N C
CH
3
CH
3
S
HO N
C
CH
3
CH
3
HO
N C
S
H
H
O
O N C
CH
3
CH
3
H
3
C C N
C
O
H
3
C
NH
2
C
O
H
3
C
OH
OH
H
2
C
C
O
HO
áci
d
o f
ó
r
m
ico
OH
C C
O
HO
O
OH
C C
O
HO
O
CO
2
Figura 2.5- Rota de degradação fotocatalítica do Methomyl.
79
Em outro estudo, a degradação do Methomyl foi realizada usando-se uma zeólita
suportada com ferro e montmorillonita de Al/Fe piralisada como catalisadores.
82
Todas
as reações foram feitas na presença de peróxido de hidrogênio, à temperatura ambiente,
em um reator de vidro sob fluxo constante de ar e lâmpada de halogênio. Ambos os
catalisadores apresentaram atividade significante na reação de degradação da solução de
Methomyl (1 x 10
-4
mol L
-1
); entretanto, um melhor desempenho foi obtido usando-se a
zeólita, devido a sua maior atividade, estabilidade e facilidade de separação da mistura
reacional. Testes de teor de carbono orgânico total não foram realizados nestes
experimentos. Estudos sobre a fotólise e hidrólise do Methomyl também tem sido
realizados por outros pesquisadores.
83
Entretanto, estes experimentos mostraram que
34
praticamente não ocorre degradação do Methomyl. Testes de hidrólise à pH 2,7 e 5 não
degradaram o inseticida. Apenas em pH 1,5 houve a degradação de cerca de 10% do
Methomyl.
Robert Reiser et al.
84
conduziram estudos para determinar o comportamento do
Methomyl em animais, como cabras, galinhas e macacos. Utilizando técnicas como o
RMN e LC/MS os pesquisadores encontraram um metabólito altamente polar do
Methomyl excretado na urina destes animais. O peso molecular deste metabólito ácido
proveniente do inseticida foi determinado usando LC/ESI-MS, nos modos positivo e
negativo. Os íons obtidos em ambos os modos tiveram suas estruturas elucidadas
através da dissociação induzida por colisão (CID). Uma rota para a degradação
metabólica do Methomyl é mostrada na Figura 2.6.
35
Figura 2.6- Rota proposta para a degradação metabólica do Methomyl.
A rota metabólica proposta pelos autores é baseada no fato da acetonitrila ser um
dos principais metabólitos em ratos, macacos, cabras e galinhas. Posteriormente,
seguem-se reações de conjugação e hidrólise.
2.2 Objetivos
Face ao exposto, o objetivo deste trabalho foi estudar a degradação dos
inseticidas Thiamethoxam, Imidacloprid e Methomyl em meio aquoso sob a ação de
diferentes processos de degradação, além de identificar os prováveis produtos de
degradação desses inseticidas. Além disso, testes de ecotoxicidade frente a Artemia
Salina foram realizados a fim de se avaliar o impacto ambiental causado por esses
compostos e por seus produtos de degradação.
36
2.3 Materiais e Métodos
2.3.1 Síntese dos catalisadores
Para a realização de testes com os sistemas Fenton heterogêneo e compósitos de
Fe
0
/Fe
3
O
4
e Fe
0
/Fe
2
O
3
, foram sintetizados catalisadores à base de óxido de ferro.
Abaixo são descritos os procedimentos realizados.
Síntese da Magnetita (Fe
3
O
4
)
A magnetita foi preparada através do método de precipitação do precursor
hidroxiacetato de ferro III (HAF).
85
Produção do precipitado HAF: em 85,0 mL de uma solução de FeCl
3
.6H
2
O (1,65
mol/L) foram adicionados lentamente sob agitação, 100,0 mL de NH
4
OH concentrado e
60,0 mL de H
2
O, para diminuir a viscosidade do precipitado. Após 15 minutos, a
mistura foi centrifugada (1800 rpm) durante 5 minutos. O sobrenadante foi descartado e
o precipitado lavado 6 vezes com 100,0 mL de uma solução de acetato de amônio a
20% m/v, a fim de promover a impregnação do acetato pelo sólido. As reações
envolvidas no processo são as seguintes:
FeCl
3
(aq) + 3 NH
4
OH(conc) → Fe(OH)
3
(s) + 3 NH
4
Cl (aq)
Fe(H
2
O)
3
(OH)
3
(s) + x CH
3
COO
-
(aq) → Fe(CH
3
COO
-
)
x
(OH)
3-x
(s) + 3 H
2
O (l)
O precipitado foi seco em estufa por 12 horas a 80
0
C e posteriormente triturado.
A magnetita foi obtida através de tratamento térmico do precursor hidroxiacetato de
ferro (III) [Fe(CH
3
COO
-
)
x
(OH)
3-x
] amorfo, sob aquecimento a 400
0
C em fluxo de N
2
(30 mL min
-1
) por um período de 2 horas, utilizando o forno BLUE M. Lindberg. Com
o aquecimento a 400
0
C, ocorre a decomposição do hidroxiacetato de ferro (III),
levando à formação de CO
2
e H
2
O e pequenas quantidades de acetona e ácido acético,
promovendo a redução de parte do Fe
3+
para Fe
2+
. Este processo pode ser representado
simplificadamente pela equação:
24 Fe(OH)
3
(s) + CH
3
COOH (aq) → 8 Fe
3
O
4
(s) + 2 CO
2
(g) + 38 H
2
O (g)
37
Síntese da Hematita (α-Fe
2
O
3
)
86
Para obtenção da hematita, seguiu-se o mesmo procedimento anterior para a
magnetita, no qual à 85,0 mL de uma solução de FeCl
3
.6H
2
O (1,65 mol L
-1
) foram
adicionados lentamente sob agitação, 100,0 mL de NH
4
OH concentrado e 60,0 mL de
H
2
O, para diminuir a viscosidade do precipitado. Após 15 minutos, a mistura foi
centrifugada (1800 rpm) durante 5 minutos. O precipitado foi seco em estufa por 12
horas a 80
0
C e posteriormente triturado. O sólido Fe(OH)
3
foi calcinado a 800
0
C em
atmosfera de ar por 4 horas.
2 Fe(OH)
3
(s)
∆
α-Fe
2
O
3
(s) + 3 H
2
O (g)
2.3.1.1 Caracterização da Magnetita (Fe
3
O
4
) e Hematita (Fe
2
O
3
)
A caracterização dos óxidos de ferro foi realizada através da espectroscopia
Mössbauer no modo de transmissão, no qual são detectados os fótons transmitidos
através do absorvedor. A análise dos espectros permitiu verificar que os óxidos de ferro
tratavam-se, respectivamente, de uma hematita 100% pura e de uma magnetita, com
área relativa de 83%, indicando que parte do Fe
2+
presente em sua estrutura havia se
oxidado a Fe
3+
. Os dados para a caracterização de ambos os óxidos foram similares aos
obtidos por Moura e colaboradores.
87
2.3.1.2 Obtenção dos compósitos de Fe
0
/Fe
3
O
4
e Fe
0
/Fe
2
O
3
Para a obtenção dos compósitos, quantidades iguais (50%/50%) de Fe
0
e Fe
3
O
4
ou Fe
2
O
3
foram macerados com o auxílio de um gral e pistilo, por um tempo de
aproximadamente 2 minutos.
2.3.2 Reações de degradação
2.3.2.1 Inseticida Thiamethoxam
A degradação do inseticida Thiamethoxam foi investigada empregando-se vários
processos de degradação: Fe
0
em meio ácido, Fe
3
O
4
/H
2
O
2
, Fe
2
O
3
/H
2
O
2
,
Fe
0
/Fe
3
O
4
/H
2
O
2
, radiação ultra-sônica (US), radiação ultra-violeta (UV) e ozonólise
(O
3
), além de combinações entre eles. Detalhes específicos sobre cada reação realizada
são descritos no item 2.4 (Resultados e Discussão) deste trabalho.
38
Sistema em meio ácido
Num experimento típico, 10 mg de Fe
0
em pó foram adicionados a 20 mL de
uma solução aquosa de Thiamethoxam (50 mg L
-1
). Sob agitação constante, o pH do
meio foi ajustado para 2, gotejando-se H
2
SO
4
0,1 mol L
-1
. Alíquotas foram tomadas em
intervalos de 6 minutos e filtradas utilizando-se filtro Millipore (0,45 µm).
Sistema Feº/Fe
3
O
4
/H
2
O
2
Num experimento típico, preparou-se 20,0 mL de uma solução aquosa contendo
H
2
O
2
(0,06 mol L
-1
) e Thiamehoxam (50 mg L
-1
). O pH da solução foi ajustado para 2
gotejando-se HCl (1 mol L
-1
). A esta solução foram adicionados 10 mg do compósito
Feº/Fe
3
O
4
. A suspensão resultante foi mantida sob constante agitação por 30 minutos.
Alíquotas de 5 mL foram retiradas e filtradas usando-se filtro Millipore (0,45 µm).
Sistemas Fe
3
O
4
/H
2
O
2
e Fe
2
O
3
/H
2
O
2
Num experimento típico, reações com tempo de duração de 30 minutos,
submetidas à agitação constante, foram realizadas com 15,0 mL de solução aquosa de
Thiamethoxam (50 mg L
-1
) e 1,00 mL de solução de H
2
O
2
(0,5 mol L
-1
). A esta solução
foram adicionados 20,0 mg de hematita (Fe
2
O
3
) ou magnetita (Fe
3
O
4
).
Radiação ultra-violeta
Neste processo, 15,0 mL de uma solução aquosa de Thiamethoxam (50 mg L
-1
)
em tubo de quartzo, foram submetidos à radiação ultra-violeta por 30 minutos, sob
agitação constante.
A radiação ultra-violeta foi obtida usando-se um reator UV. O reator foi
construído em uma caixa de madeira de dimensões
60 cm x 50 cm x 45 cm e revestida
internamente com folhas de papel alumínio. Instalou-se na parte superior interna da
caixa de madeira, de forma centralizada, uma lâmpada (Philips TUV G5T8), que emite
radiação UV com emissão máxima em 254 nm e 15 W de potência .
Energia ultra-sônica
A energia ultra-sônica foi obtida por meio de um banho de ultra-som marca
Neytech, modelo 28 H. Para se obter maior eficiência da energia ultra-sônica, o banho
foi mapeado para se determinar a posição de maior incidência de cavitação. Para isso
utilizou-se uma solução 0,29 mol L
-1
de KI , a qual foi sonicada em várias posições no
39
banho, com diferentes volumes de água. A solução de KI, exposta à energia ultra-
sônica, proporciona a formação de I
2
. Assim, pela absorbância na espectrofotometria
UV-vis, apresentada pela solução de KI sonicada, verificou-se que a posição em que
ocorre maior cavitação, e, consequentemente, maior formação de I
2
, se encontra na
região central do banho de ultra-som. Da mesma forma, foi observado que um volume
de 1,5 L de água é o que proporciona melhor reprodutibilidade e maior cavitação da
solução.
Portanto, para todos os experimentos que envolveram a energia ultra-sônica, as
reações foram efetuadas com a amostra na região central do bojo do ultra-som, tendo
este o volume de 1,5 L de água.
Ozonólise
Num experimento típico, em pH do meio, 15,0 mL de solução aquosa de
Thiamethoxam (50 mg L
-1
) foram borbulhados com um fluxo de ozônio.
A produção de ozônio foi obtida por meio de um fluxo contínuo de ar sintético
(pureza 99,999%) no ozonizador (Eletrozon). Para se calcular o fluxo de ozônio
utilizado em cada reação, realizou-se a ozonização da solução de KI para posterior
titulação com Na
2
S
2
O
3
. O procedimento seguido
88
está descrito abaixo:
- Preparou-se uma solução 0,001 mol L
-1
de Na
2
S
2
O
3
.5H
2
O.
- Preparou-se uma solução de KI (utilizou-se uma ponta de espátula de KI para 200 mL
de água).
- Preparou-se uma solução de amido (amassou-se 1 grama de amido solúvel com
pequena quantidade de água. Em seguida, despejou-se 105 mL de água em fervura e
deixou-se ferver por 5 minutos. Após resfriamento, filtrou-se a solução em algodão).
- Realizou-se a ozonização da solução de KI.
- Retirou-se as alíquotas ozonizadas (10,0 ml) de 15 em 15 minutos
- Acrescentou-se 20,00 mL de solução de ácido acético (1:3) v v
-1
- Titulou-se as alíquotas ozonizadas com a solução de Na
2
S
2
O
3
0,001 mol L
-1
, até que a
solução se tornou ligeiramente amarela.
- Acrescentou-se 2,00 mL de solução de amido e titulou-se até que a solução se tornou
incolor.
- Calculou-se o número de mols de Na
2
S
2
O
3
gastos e, consequentemente, obteve-se o
número de mols de ozônio e o fluxo de ozônio utilizado em cada reação.
As reações envolvidas são as seguintes:
40
O
3
+ 2 I
-
+ H
2
O O
2
+ I
2
+ 2 OH
-
I
2
+ 2 S
2
O
3
2-
2 I
-
+ S
4
O
6
-
2.3.2.2 Inseticida Imidacloprid
Foram utilizados 20,0 mL de solução aquosa de Imidacloprid na concentração de
35 mg L
-1
em todas as reações. A degradação deste inseticida foi investigada
empregando-se os seguintes processos de degradação: Fe
0
em meio ácido, compósito de
Fe
0
/Fe
3
O
4
e energia ultra-sônica. As condições em que estes sistemas foram utilizados
são as mesmas descritas no item anterior, para o inseticida Thiamethoxam.
2.3.2.3 Inseticida Methomyl
A degradação do inseticida Methomyl foi estudada empregando-se os seguintes
processos: radiação UV, H
2
O
2
, ozonólise, Fe
0
em meio ácido e Fe
0
/Fe
3
O
4
/H
2
O
2.
As
reações foram efetuadas em tubos de ensaio, utilizando-se 15,0 mL de solução aquosa
do inseticida Methomyl (35 mg L
-1
). Foram realizadas reações com duração de 30
minutos. As condições destes experimentos foram semelhantes às utilizadas para o
inseticida Thiamethoxam. De foram geral, foram usados:
- 15,0 mL de solução de Methomyl na concentração de 35 mg L
-1
.
- 1,00 mL de H
2
O
2
0,1 mol L
-1
.
-10,00 mg de Fe
0
ou Fe
0
/Fe
3
O
4
.
2.4.3 Otimização dos processos de degradação dos inseticidas Thiamethoxam e
Imidacloprid por meio de planejamentos fatoriais
Foram realizados planejamentos fatoriais com o objetivo de se determinar as
melhores condições para a degradação do Thiamethoxam e Imidacloprid. O uso de
planejamentos fatoriais permite verificar a interação entre os fatores estudados,
utilizando-se um pequeno número de experimentos. Os detalhes de cada planejamento
encontram-se descritos no item Resultados e Discussões deste trabalho.
2.4.4 Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (HPLC)
Para a determinação quantitativa dos inseticidas Thiamethoxam, Imidacloprid e
Methomyl foi utilizada a técnica de cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC). O
41
equipamento Shimadzu, equipado com detector UV-Vis, pertence à infra-estrutura do
Departamento de Química- UFMG.
A coluna utilizada durante as análises foi a Supelco LC18 (25 cm x 4,6 mm, 5
µm), com fluxo da fase móvel de 1 ml min
-1
e volume de injeção igual a 20 µL. Os
inseticidas Thiamethoxam, Imidacloprid e Methomyl foram monitorados nos λ
max
de
254, 275 e 235 nm, respectivamente. As fases móveis utilizadas foram: H
2
O milli-
Q/acetonitrila (70/30), H
2
O milliQ/metanol (90/10) e H
2
O milliQ/acetonitrila (60/40)
para o Thiamethoxam, Imidacloprid e Methomyl, respectivamente. A quantificação dos
compostos foi realizada por meio de uma curva de calibração utilizando-se a área do
pico de soluções padrão de concentrações crescentes.
2.4.5 Cromatografia gasosa/espectrometria de massas (GC-MS)
Estudos sobre a degradação do Thiamethoxam em função do tempo foram
efetuados empregando-se um cromatógrafo a gás acoplado a um espectrômetro de
massas. O aparelho utilizado, Trace GC Ultra–Polaris Q, Thermo Electron, foi equipado
com uma coluna Crossbond 5% - Diphenyl 95% (dimethyl polysiloxane), de 30 m de
comprimento e 0,25 mm de diâmetro interno. Utilizou-se He como gás de arraste. O
injetor foi programado para uma temperatura de 100 ºC e o volume de injeção igual a 1
µL. Montou-se uma rampa de aquecimento, com temperatura inicial de 100 ºC, por 2
minutos e taxa de aquecimento de 10 ºC min
-1
até atingir 180 ºC, permanecendo nesta
temperatura por 10 minutos. Finalmente, uma nova rampa de 12 ºC min
-1
foi
estabelecida, com temperatura final de 250 ºC. Nestas condições, o tempo de retenção
do Thiamethoxam foi aproximadamente 22 minutos.
Empregou-se a ionização química no modo negativo, utilizando-se gás metano,
com fluxo de 1 mL min
-1
, como gás reagente. As temperaturas da interface e fonte de
íons foram 200 e 275 ºC, respectivamente.
As reações de degradação do Thiamethoxam foram realizadas em meio aquoso.
Dessa forma, para serem injetadas no GC, as alíquotas foram evaporadas (foram
colocadas em eppendorfs e deixadas em repouso, ao ar atmosférico por um período de
aproximadamente 2 dias) e posteriormente diluídas em diclorometano. Além disso,
curvas de calibração foram preparadas a partir do padrão e diluídas também neste
solvente.
42
2.4.6 Análises de TOC
Para se verificar a taxa de mineralização das soluções, realizou-se a análise de
carbono orgânico total (TOC) das amostras. As medidas foram realizadas num aparelho
TOC (Shimadzu
), alocado no Instituto de Ciências Biológicas da UFMG.
2.4.7 Espectrometria de massas com ionização electrospray (ESI-MS)
A espectrometria de massas com ionização electrospray foi utilizada para se
identificar os intermediários e produtos de degradação dos inseticidas Thiamethoxam e
Imidacloprid.
Essas análises foram realizadas em dois aparelhos: 1) espectrômetro de massas
com analisador por tempo de vôo - Q-TOF, Micromass e 2) espectrômetro de massas
com analisador “íon trap” Agilent, série 1100. Estes equipamentos estão instalados,
respectivamente, no Instituto de Química da Universidade Estadual de Campinas e no
Departamento de Química da Universidade Federal de Lavras.
Os espectrômetros de massas foram operados nos modos positivo ou negativo. A
voltagem do cone e do extrator e demais parâmetros foram ajustados para se obter uma
resposta otimizada. As amostras foram analisadas por infusão direta por meio do
bombeamento com uma seringa num fluxo de 10 µL min
-1
. A varrredura empregada
variou de acordo com as m/z dos íons em estudo. Nos experimentos MS/MS, um íon de
interesse foi selecionado e fragmentado por colisão com argônio, para gerar fragmentos
com intensidades mensuráveis.
2.3.8 Testes de ecotoxicidade
Para se avaliar a toxicidade das classes dos inseticidas estudados, bem como
seus produtos de degradação, o Thiamethoxam e o Methomyl foram submetidos à
testes de ecotoxicidade com Artemia salina.. A montagem dos testes seguiu o
procedimento descrito por McLaughlin, Colman-Saizarbitoria e Anderson.
89
Preparou-se o meio de cultura dos ovos de Artemia salina. Foram utilizados 38
gramas de sal marinho para cada litro de água. Filtrou-se o meio de cultura e este foi
colocado em um pequeno tanque semi-aberto. Nesse caso, foi utilizada uma saboneteira,
43
com parte de sua tampa superior cortada. Uma pequena porção de ovos de Artemia foi
colocada no meio salino. Estes ovos ficaram sob ação de luz artificial para que
pudessem eclodir. Para isso, ligou-se uma lâmpada que foi presa a um suporte próximo
à saboneteira.
Esperou-se 24 horas para que os ovos pudessem eclodir e finalmente montar os
bio-ensaios. Para o inseticida Thiamethoxam, foram analisadas soluções com
concentrações iniciais de 50 e 200 mg L
-1
, bem como de seus produtos de degradação
sob ação da radiação ultra-violeta (20,00 mL de cada solução foram colocados em tubos
de quartzo e expostos à radiação UV por 30 minutos). Além disso, avaliou-se também a
toxicidade do produto comercial Actara (que tem como princípio ativo o
Thiamethoxam), com concentração inicial de 1000 mg L
-1
. Para se examinar a
toxicidade dos produtos de degradação do Actara, 20,00 mL dessa solução também
foram expostos à radiação UV por uma hora. Para o inseticida Methomyl, fez-se uma
solução de partida de 150 mg L
-1
, sendo que 20 mL desta solução também foi exposta à
radiação UV para que os testes de ecotoxicidade pudessem ser realizados com os
produtos de degradação deste composto. Para cada teste de ecotoxicidade, três
concentrações distintas destas soluções foram analisadas.
Foram utilizados 12 frascos para cada bio-ensaio, referentes a 3 concentrações
feitas em triplicata e 3 frascos como controle. Tendo em vista que o volume final em
cada frasco seria 5,00 mL e necessitando fazer diluições de 50, 25 e 10% das soluções
em estudo, foram pipetados 2,50, 1,25 e 0,50 mL, respectivamente, destas soluções e
colocados em frascos. Finalmente, a cada frasco foram adicionadas 10 Artemias e o
volume completado para 5,00 mL com a solução de sal marinho.
Uma vez montado o experimento, os frascos, incubados com as Artemias, foram
deixados em repouso e novamente iluminados pela lâmpada fixada ao suporte por um
período de 24 horas. Cessado este tempo, realizou-se a contagem do número de
crustáceos mortos e sobreviventes.
44
2.4 Resultados e Discussão
2.4.1 Degradação do Thiamethoxam por Processos Oxidativos Avançados
Trabalhos recentes87 têm mostrado a eficiência dos compósitos de Fe
0
e óxidos
de ferro na degradação de moléculas orgânicas. Uma das vantagens da utilização destes
compósitos em relação ao sistema Fenton clássico, é que o mesmo pode ser
regenerado/reciclado, além de operar em pH neutro, evitando a geração de lodo. Sendo
assim, neste trabalho, foram testados a eficiência dos óxidos magnetita (Fe
3
O
4
) e
hematita (Fe
2
O
3
), ambos na presença de peróxido, na degradação de uma solução
aquosa de Thiamethoxam, bem como a eficiência do compósito Fe
0
/Fe
3
O
4
/H
2
O
2
na
degradação deste inseticida. Além destes sistemas, a degradação do Thiamethoxam
também foi investigada utilizando-se a radiação ultra-violeta (UV), a energia ultra
sônica (US) e a ozonização (O
3
).
Inicialmente, foi realizado um estudo para se avaliar o efeito isolado dos
sistemas hematita (Fe
2
O
3
), magnetita (Fe
3
O
4
), radiação UV, energia ultra sônica (US) e
ozonização sobre a degradação de uma solução aquosa de Thiamethoxam. Os resultados
obtidos são apresentados na Figura 2.7.
Figura 2.7 - Efeito da energia ultra sônica (US), radiação ultra-violeta (UV), ozonização
(O
3
) e dos sistemas hematita (Hem) e magnetita (Mag) na degradação do
Thiamethoxam. Condições reacionais: 15,0 mL de solução aquosa de Thiamethoxam
(50 mg L
-1
); 20,0 mg de hematita ou magnetita na presença de H
2
O
2
(0,5 mol L
-1
); fluxo
de ozônio (1,2 x 10
-6
mols de ozônio min
-1
); exposição à radiação UV e US de 30
minutos, agitação constante; reações com tempo de duração de 30 min. A degradação
foi monitorada por HPLC.
45
Verificou-se que apenas a radiação UV foi eficaz no processo de degradação,
promovendo cerca de 48% de degradação do Thiamethoxam após 30 min de exposição.
Com relação aos outros POAs empregados isoladamente, observou-se que tanto a
ozonólise, quanto o ultra-som não produziram degradação significativa após o mesmo
tempo de reação. Os sistemas a base de óxido de ferro (magnetita e hematita) na
presença de H
2
O
2
também não foram eficientes na degradação do composto. Além
disso, verificou-se por este experimento, que não ocorre adsorção do Thiamethoxam em
ambos os óxidos.
A fim de melhorar os resultados, realizou-se um planejamento fatorial (2
3
) para
se estudar os efeitos de algumas variáveis e suas interações no processo de degradação
deste inseticida. Foram estudadas as variáveis: óxidos de ferro (hematita e magnetita),
ultra-som (10 e 30 min) e radiação ultra-violeta (10 e 30 min).
Os experimentos realizados nesse planejamento, bem como as porcentagens de
degradação obtidas em cada sistema, são mostradas na Tabela 2.1.
Tabela 2.1 - Planejamento Fatorial (2
3
), mostrando as porcentagens médias de
degradação do inseticida Thiamethoxam. Todos os experimentos foram realizados em
duplicata. Os símbolos (+) e (-) indicam os níveis de máximo e mínimo,
respectivamente, usados para cada variável.
Experimento
US /
min
UV /
min
Catalisadores/
H
2
O
2
Degradação /
%
1 10 (-) 10 (-) Magnetita 18,2
2 10 (-) 10 (-) Hematita 18,4
3 30 (+) 10 (-) Magnetita 15,0
4 30 (+) 30 (+) Magnetita 21,4
5 10 (-) 30 (+) Magnetita 22,1
6 30 (+) 30 (+) Hematita 28,9
7 10 (-) 30 (+) Hematita 24,9
8 30 (+) 10 (-) Hematita 22,3
Condições Reacionais: 15 mL de solução aquosa de Thiamethoxam (50 mg L
-1
); 1,00 mL de H
2
O
2
(0,5 mol L
-1
), 20 mg de hematita (Fe
2
O
3
) ou magnetita (Fe
3
O
4
); radiação UV; ultra-som (US); tempo
reacional de 10 ou 30 minutos. Monitoramento da reação por HPLC.
46
Tomando como base a tabela 2.1, os efeitos dessas variáveis na degradação do
Thiamethoxam podem ser melhor observados no Gráfico de Pareto e no Gráfico dos
Efeitos Principais das Figura 2.8 (a) e (b) , respectivamente.
(a)
(b)
Figura 2.8- Efeito das variáveis estudadas no planejamento fatorial para a degradação
do Thiamethoxam: (a) Gráfico de Pareto e (b) Gráfico dos Efeitos Principais.
Os Gráficos de Pareto são utilizados para representar os efeitos obtidos em
planejamentos fatoriais. Um efeito positivo indica que o nível alto estudado conduz à
Gráfico de Pareto - Degradação do Thiamethoxam
0 1 2 3 4 5 6
AB
BC
A:Ultra-som
AC
C:Catalisador
B:UV
average = 21,3812 +/- 0,505864
A:Ultrasom = 0,9375 +/- 1,01173
B:UV = 5,8375 +/- 1,01173
C:Catalisador = -4,4375 +/- 1,01173
AB = 0,6625 +/- 1,01173
AC = -2,9625 +/- 1,01173
BC = -0,7125 +/- 1,01173
block = 1,3125 +/- 1,01173
Efeitos Principais na Degradação do Thiamethoxam
Degradação (%)
Ultrasom
10,0 30,0
UV
10,0 30,0
Catalisador
Hematita Magnetita
18
20
22
24
26
47
maior degradação. Da mesma forma, um efeito negativo indica que o nível baixo é mais
adequado. Quanto maior o efeito, maior a influência da variável sobre o sistema.
Pelo Gráfico de Pareto mostrado na Figura 2.8, verifica-se que as variáveis
radiação UV, catalisador e a interação US/catalisador afetaram a degradação do
Thiamethoxam significativamente ao nível de 95%.
Constatou-se, também, que a energia ultra sônica, bem como as interações
US/UV e UV/catalisador, não tiveram efeito significativo na degradação do
Thiamethoxam. Portanto, o tempo de interação do composto com o ultra-som ou a
radiação UV praticamente não influenciaram o processo de interação.
A radiação UV teve maior influência na degradação do composto que os demais
sistemas. Analisando o Gráfico dos Efeitos Principais (Figura 2.8 (b)), observa-se que o
tempo de exposição à radiação UV afetou a taxa de degradação, sendo que quanto maior
o tempo, maior a degradação do composto. Com relação aos catalisadores, o efeito foi
negativo, uma vez que o emprego da hematita (adotada como nível inferior) foi o que
possibilitou uma maior porcentagem de degradação. Apesar do efeito do ultra-som não
ter sido significativo, observa-se, pelo Gráfico dos Efeitos Principais, que o tempo de 30
minutos de sonicação apresentou resultados um pouco melhores.
A interação US/catalisador mostrou um efeito negativo, principalmente quando o
catalisador utilizado foi a magnetita. Neste caso, talvez a energia ultra-sônica tenha
proporcionado maior superfície de contato entre a hematita e o Thiamethoxam,
alterando levemente a taxa de degradação quando se usa este catalisador.
Tendo em vista que a radiação UV foi a variável mais significativa, outros
experimentos foram realizados com o objetivo de aumentar a taxa de degradação desse
inseticida. Para isso, utilizou-se um frasco de quartzo para se realizar as reações, a fim
de maximizar a incidência da radiação ultra-violeta (vidro absorve radiação UV).
Efetuou-se um novo planejamento experimental (Tabela 2.2), onde foram
estudadas as seguintes variáveis: catalisadores (hematita/H
2
O
2
e magnetita/H
2
O
2
), ultra-
som (0 e 30 minutos) e radiação UV (0 e 30 min).
48
Tabela 2.2 – Segundo Planejamento Fatorial (2
3
), realizado para otimização das
condições para a degradação do Thiamethoxam, empregando frasco de quartzo. Todos
os experimentos foram realizados em duplicata e a média das porcentagens de
degradação do inseticida thiamethoxam para cada sistema é apresentada. Os símbolos
(+) e (-) indicam os níveis de máximo e mínimo, respectivamente, usados para cada
variável.
Experimento
UV /
min
US /
min
Catalisadores/
H
2
O
2
Degradação /
%
1 0 (-) 0 (-) Hematita 6,2
2 0 (-) 0 (-) Magnetita 9,1
3 30 (+) 0 (-) Hematita 90,5
4 30 (+) 30 (+) Hematita 80,3
5 0 (-) 30 (+) Hematita 20,6
6 0 (-) 30 (+) Magnetita 14,8
7 30 (+) 30 (+) Magnetita 66,3
8 30 (+) 0 (-) Magnetita 80,3
Condições Reacionais: 15,0 mL de solução aquosa de Thiamethoxam (50 mg L
-1
); 1,00 mL de H
2
O
2
(0,5 mol L
-1
), 20,0 mg de hematita (Fe
2
O
3
) ou magnetita (Fe
3
O
4
); radiação UV, ultra-som (US),
agitação constante; frascos de quartzo; tempo reacional de 30 minutos; monitoramento da reação
por HPLC.
Os resultados obtidos neste planejamento fatorial são apresentados no Gráfico de
Pareto e de Efeitos Principais, que podem ser vistos na Figura 2.9, (a) e (b),
respectivamente.
49
(a)
(b)
Figura 2.9- Efeito das variáveis estudadas no planejamento fatorial para a degradação
do Thiamethoxam: (a) Gráfico de Pareto e (b) Gráfico dos Efeitos Principais.
A partir deste novo planejamento fatorial verificou-se, mais uma vez, que a
radiação UV foi a variável mais significativa. A utilização do frasco de quartzo
acentuou o efeito da radiação UV frente aos outros fatores. Foi observado que quanto
maior o tempo de exposição do Thiamethoxam à luz ultra-violeta, maior a sua
Gráfico dos Efeitos Principais na Degradação do Thiamethoxam
Degradação (%)
Catalisador
Hemat Magnet
UV
0,0 30,0
US
0,0 30,0
0
20
40
60
80
Gráfico de Pareto - Degradação do Thiamethoxam
0 10 20 30 40 50 60
C:US
AC
AB
A:Catalisador
BC
B:UV
average = 46,0262 +/- 0,597503
A:Catalisador = -6,7825 +/- 1,19501
B:UV = 66,69 +/- 1,19501
C:US = -1,0325 +/- 1,19501
AB = -5,325 +/- 1,19501
AC = -3,1275 +/- 1,19501
BC = -11,095 +/- 1,19501
block = 0,51 +/- 1,19501
50
degradação. A luz ultra-violeta é muito energética e pode romper muitas ligações
químicas, podendo levar à formação de intermediários e produtos de degradação. O tipo
de catalisador utilizado também influenciou significativamente a degradação do
Thiamethoxam, sendo que a hematita conduziu a melhores resultados.
As interações UV/US e catalisador/UV também afetaram significativamente a
taxa de degradação. Entretanto, estas interações foram negativas, ou seja, os sistemas
combinados catalisador/H
2
O
2
/UV/US promoveram degradação inferior em comparação
ao sistema UV isolado. Provavelmente, as partículas de óxido de ferro em suspensão
bloquearam parcialmente a passagem da radiação UV, proporcionando, portanto, uma
menor interação com o substrato e, consequentemente, menor degradação.
A energia ultra sônica isolada não teve influência significativa enquanto que a
interação US/catalisador apresentou um pequeno efeito na taxa de degradação do
composto.
Os catalisadores à base de óxido de ferro (magnetita e hematita) foram pouco
eficazes na degradação do Thiamethoxam em solução aquosa na presença de H
2
O
2
,
sendo que os sistemas combinados magnetita/H
2
O
2
/US e hematita/H
2
O
2
/US
apresentaram eficiência ligeiramente superior. Tais resultados sugeriram que a presença
do US provavelmente induz a uma maior interação entre os catalisadores heterogêneos e
o substrato, visto que essa energia é capaz de reduzir o tamanho das partículas por meio
do processo de cavitação. Como a superfície de contato é maior, causa
consequentemente, uma maior degradação. Além disso, a formação de bolhas de
cavitação pela energia ultra-sônica leva à dissociação da H
2
O e do H
2
O
2
e à produção de
espécies radicalares tais como o OH
•
, que podem então agir como oxidantes.
No Gráfico de Efeitos Principais verificou-se, ainda, que a hematita mostrou-se
mais eficiente que a magnetita para a degradação do Thiamethoxam.
A magnetita apresenta certa quantidade de Fe
2+
, enquanto a hematita apresenta
apenas Fe
3+
. Em contato com H
2
O
2
, o Fe
2+
da magnetita se oxida a Fe
3+
e ocorre a
formação de radicais hidroxilas, como mostra o mecanismo abaixo:
Fe
2+
+ H
2
O
2
→ Fe
3+
+ OH
•
+ OH
-
Neste caso esperava-se, portanto, que a magnetita fosse mais eficiente que a
hematita. Entretanto, como é conhecido, a Fe
3
O
4
normalmente está oxidada na
superfície e, portanto, é pouca ativa. No planejamento experimental pôde se verificar
que as porcentagens de degradação obtidas para os sistemas magnetita/H
2
O
2
e
hematita/H
2
O
2
foram pequenas e similares.
51
Nos sistemas combinados a hematita apresentou-se como o melhor catalisador.
Como a radiação UV é capaz de reduzir Fe
3+
a Fe
2+
na superfície da hematita, pode
ocorrer o seguinte mecanismo:
Fe
3+
(sup)
+ hν + H
2
O→ Fe
2+
(sup)
+ OH
•
+ H
+
O Fe
2+
superficial gerado é, então, capaz de gerar radicais hidroxila, como
mostrado a seguir:
Fe
2+
(sup)
+ H
2
O
2
→ Fe
3+
+ OH
•
+ OH
-
Dessa forma, tanto a magnetita quanto a hematita deveriam agir da mesma forma
em relação à degradação do Thiamethoxam. Como a hematita apresentou um resultado
ligeiramente superior, talvez suas partículas estivessem mais aglomeradas, permitindo
uma maior penetração da radiação UV do que no sistema em que foi utilizado a
magnetita.
Visando avaliar o verdadeiro efeito da hematita na degradação do
Thiamethoxam, realizou-se outro Planejamento Fatorial (2
2
), o qual é apresentado na
Tabela 2.3.
Tabela 2.3 - Planejamento Fatorial (2
2
), utilizado para avaliar o efeito do catalisador
hematita e da radiação ultra-violeta na degradação do Thiamethoxam. Todos os
experimentos foram realizados em duplicata. Os símbolos (+) e (-) indicam os níveis de
máximo e mínimo, respectivamente, usados para cada variável.
Experimento
UV /
min
Catalisador Degradação /
%
1 30 (+) nenhum (-) 97,1
2 30 (+) hematita (+) 90,5
3 0 (-) nenhum (-) 0,0
4 0 (-) hematita (+) 6,2
Condições Reacionais: 15,0 mL de solução aquosa de Thiamethoxam (50 mg L
-1
); 1,00 mL de H
2
O
2
(0,5 mol L
-1
), 20,0 mg de hematita (Fe
2
O
3
); radiação UV; agitação constante; frascos de quartzo;
tempo reacional de 30 minutos; monitoramento da reação por HPLC.
Pelos Gráficos de Pareto e de Efeitos Principais (Figura 2.10 (a) e (b)),
verificou-se que a hematita não apresentou efeito significativo na degradação do
52
Thiamethoxam. Apenas a radiação ultra-violeta mostrou ser eficiente no processo de
degradação, sendo evidenciado que com 30 minutos de exposição à radiação UV, cerca
de 97% do composto foi degradado.
(a)
(b)
Figura 2.10- Efeito das variáveis estudadas no planejamento fatorial para a degradação
do Thiamethoxam: (a) Gráfico de Pareto e (b) Gráfico dos Efeitos Principais.
A interação UV/hematita apresentou um pequeno efeito na degradação,
entretanto, este efeito foi negativo, mostrando mais uma vez que provavelmente as
Gráfico de Pareto - Degradação do Thiamethoxam
0 40 80 120 160 200 240
A:Catalisador
AB
B:UV
average = 48,4725 +/- 0,18944
A:Catalisador = -0,21 +/- 0,37888
B:UV = 90,765 +/- 0,37888
AB = -6,39 +/- 0,37888
block = 0,1 +/- 0,37888
Gráfico dos Efeitos Principais na Degradação do Thiamethoxam
Degradação (%)
Catalisador
Nenhum Hematita
UV
0,0 30,0
0
20
40
60
80
100
53
partículas do catalisador impedem parcialmente a penetração da radiação ultra-violeta,
diminuindo, portanto, a eficiência do processo.
Enfim, pôde-se concluir que a radiação UV isolada mostrou ser um excelente
método de degradação. Para este inseticida, interações da radiação UV com os
processos estudados neste trabalho devem ser descartados, pois os mesmos reduzem a
eficiência apresentada pela radiação ultra-violeta.
Assim como o Thiamethoxam, muitos compostos também são susceptíveis à
fotodegradação. A literatura relata a degradação de vários pesticidas quando submetidos
à exposição por radiação ultra-violeta.
90
91
92
O pesticida Triadimefon, por exemplo, é
degradado quando exposto à radiação UV, sendo que a fotodegradação deste composto
é fortemente dependente das condições de irradiação.
90
O Triadimefon apresenta uma
cinética de degradação mais rápida quando exposto à luz com λ = 254 nm do que λ =
313 nm. O inseticida organofosforado Fenthion, em solução aquosa, também é
fotodegradado pela radiação UV, com comprimento de onda na faixa de 280-320 nm,
gerando produtos de degradação provenientes da quebra do composto pela fotólise
91.
Outro trabalho
92
também relata que produtos de degradação do pesticida Alaclor foram
os mesmos quando este foi exposto à radiação ultra-violeta ou submetido à fotocatálise
com TiO
2
e FeCl
3
.
2.4.1.1 Análise por GC-NCI/MS
Para se realizar um estudo sobre a taxa de degradação do Thiamethoxam em
função do tempo, utilizou-se a cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de
massas com analisador ion trap, uma vez que tínhamos esta técnica à disposição. Para a
realização deste experimento, uma solução aquosa de Thiamethoxam (50 mg L
-1
) em
tubo de quartzo, foi exposta à radiação ultra-violeta e alíquotas foram retiradas de 10
em 10 minutos. As análises foram feitas com ionização química no modo negativo
(NCI). Neste experimento, não foram monitorados os produtos de degradação.
Na Figura 2.11 ((a) e (b)) são mostrados o cromatograma (tempo de retenção do
Thiamethoxam de 22,4 minutos) e o espectro de massas referentes à injeção de um
padrão do Thiamethoxam. Pôde-se observar que, por ionização química negativa, o íon
molecular do composto não aparece, indicando que essa espécie é instável nestas
condições. Todavia, o íon de m/z 211 [Thiamethoxam - NO
2
- HCl]
-
apresenta-se
bastante intenso.
54
(a)
(b)
Figura 2.11 - (a) Cromatograma referente ao padrão do Thiamethoxam; (b) Espectro de
massas com ionização química negativa (NCI) referente ao pico com tempo de retenção
igual a 22,43 minutos.
A taxa de degradação do composto exposto à radiação ultra-violeta em função
do tempo é apresentada na Figura 2.12.
55
Figura 2.12- Taxa de degradação do Thiamethoxam sob exposição à radiação ultra-
violeta. A
0
e A representam as áreas dos picos cromatográficos no início e após um
determinado tempo de exposição à radiação UV, respectivamente.
Apesar do Thiamethoxam ter sofrido degradação significativa num intervalo de
20 minutos, este composto apresentou tempo de meia vida de aproximadamente 40 dias
em solução num tubo de quartzo exposto à luz solar num período de aproximadamente
3 meses.
Em condições de campo, o thiamethoxam também mostrou ser muito estável.
Urzedo
69
verificou que o Thiamethoxam apresentou tempo de meia-vida variando de
117 a 301 dias em solos representativos do Brasil, com variações da atividade
microbiana, umidade, calagem e fosfatagem dos mesmos. Em amostras de um latossolo
de Minas Gerais, mantidas a 25ºC e umidade a 80% da capacidade de campo, o
Thiamethoxam apresentou degradação muito lenta, com valores de meia-vida entre 173
e 533 dias.
68
Embora o composto demonstre baixa toxicidade a mamíferos, a contaminação de
recursos hídricos com resíduos desse inseticida pode afetar organismos aquáticos e
alguns artrópodes. Tendo em vista a grande estabilidade deste composto em solos, bem
como o alto potencial de lixiviação apresentado por este pesticida, é necessária a
conscientização de que este inseticida não pode ser usado de forma indiscriminada. A
utilização adequada do Thiamethoxam requer um prévio estudo sobre o solo em que
será aplicado, além de ser importante o fato de não existirem rios ou mananciais
hídricos próximos da área em que o produto será manuseado.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 5 10 15 20 25 30
tempo (min)
A/Ao
56
2.4.1.2 Análise por Espectrometria de Massas com Ionização Electrospray
A técnica ESI-MS (espectrometria de massas com ionização electrospray) foi
utilizada com o objetivo de se detectar os possíveis intermediários e produtos de reação
formados no processo de fotodegradação do Thiamethoxam.
Como foi verificado, a radiação UV mostrou ser um excelente método de
degradação para este composto. Portanto, foram retiradas alíquotas de uma solução
aquosa de Thiamethoxam após sucessivos tempos de exposição à radiação UV e estas
foram analisadas por espectrometria de massas com ionização electrospray no modo
positivo, ESI(+)-MS. Espectros de fragmentação de íons precursores, ESI(+)-MS/MS,
também foram obtidos para alguns íons de interesse com o intuito de se obter
informação a respeito de suas estruturas químicas.
A molécula de Thiamethoxam (1, C
8
H
10
N
5
O
3
SCl) possui massa nominal de 291
Da (para o isótopo
35
Cl) e 293 Da (para o isótopo
37
Cl). O espectro de massas da
solução aquosa de Thiamethoxam, por ESI(+), mostra a presença predominante do
aduto protonado, [1 + H]
+
, de m/z 292/ 294, além dos adutos [1 + Na]
+
e [1 + K]
+
de m/z
314/ 316 e 330/ 332, respectivamente (Figura 2.13). Deve-se mencionar que num
trabalho anterior sobre determinação de resíduos de inseticidas em mel
93
, o
Thiamethoxam foi determinado por ESI(+)-MS através do monitoramento dos íons de
m/z 292/ 294.
Figura 2.13 – ESI(+)-MS de uma solução aquosa de Thiamethoxam (1).
A seleção por massas e fragmentação do íon [1 + H]
+
(m/z 292) mostrou as
presenças características de íons provenientes de perdas de NO
2
(m/z 246) e NO
2
+ Cl
50 100 150 200 250 300 350 400
0
20
40
60
80
100
330
314
292
Abundância Relativa
m/z
[1 + H]
+
[1 + Na]
+
[1 + K]
+
50 100 150 200 250 300 350 400
0
20
40
60
80
100
330
314
292
Abundância Relativa
m/z
[1 + H]
+
[1 + Na]
+
[1 + K]
+
/ %
50 100 150 200 250 300 350 400
0
20
40
60
80
100
330
314
292
Abundância Relativa
m/z
[1 + H]
+
[1 + Na]
+
[1 + K]
+
50 100 150 200 250 300 350 400
0
20
40
60
80
100
330
314
292
Abundância Relativa
m/z
[1 + H]
+
[1 + Na]
+
[1 + K]
+
/ %
57
(m/z 211), como observado na Figura 2.14. Uma interpretação para a fragmentação do
íon [1 + H]
+
é proposta no Esquema 2.1.
Figura 2.14 – ESI(+)- MS/MS para o íon [1 + H]
+
de m/z 292.
292
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
64
132
181
210
211
246
292
m/z
- NO
2
- Cl
-CH
2
O
- S
-NH
3
Abundância Relativa/ %
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
64
132
181
210
211
246
292
m/z
- NO
2
- Cl
-CH
2
O
- S
-NH
3
Abundância Relativa/ %
58
N
O
N
N
NO
2
Me
N
S
Cl
35
H
[1 + H]
+
m/z 292
+
-NO
2
+
m/z 246
N
O
N
N
Me
N
S
Cl
35
H
.
-
35
Cl
.
N
O
N
N
Me
N
S
H
m/z 211
+
.
-H
35
Cl
m/z 210
- CH
2
O
m/z 181
- S
- NH
3
m/z 132
Esquema 2.1 – Proposta para a fragmentação do íon [1 + H]
+
de m/z 292.
Após 2 horas de exposição à radiação UV detectou-se, no ESI(+)-MS, o
surgimento de sinais de m/z 247/ 249, 197, 168 e 116 (Figura 2.15). A intensidade do
íon de m/z 249 é aproximadamente 1/3 da intensidade do íon de m/z 247 indicando,
deste modo, que este íon possui um átomo de cloro em sua estrutura. O mesmo padrão
isotópico não é verificado para os pares 197/ 199, 168/ 170 e 116/ 118 sugerindo a
ausência de cloro na estrutura de tais íons.
59
Figura 2.15 – ESI(+)-MS da solução aquosa de Thiamethoxam (1) exposta à radiação
UV por 2 horas.
Após 4 horas de exposição, notou-se o quase desaparecimento dos sinais de m/z
292/ 294, [1 + H]
+
, 314/ 316, [1 + Na]
+
, e 330/ 332, [1 + K]
+
indicando uma degradação
completa do Thiamethoxam (Figura 2.16).
Figura 2.16 – ESI(+)-MS da solução aquosa de Thiamethoxam (1) exposta à radiação
UV por 4 horas.
/ %/ %
50 100 150 200 250 300 350
0
20
40
60
80
100
247
197
168
116
Abundância Relativa
m/z
[2 + H]
+
[6 + H]
+
[7 + H]
+
[4+ H]
+
50 100 150 200 250 300 350
0
20
40
60
80
100
247
197
168
116
Abundância Relativa
m/z
[2 + H]
+
[6 + H]
+
[7 + H]
+
[4+ H]
+
/ %
50 100 150 200 250 300 350
0
20
40
60
80
100
247
197
168
116
Abundância Relativa
m/z
[2 + H]
+
[6 + H]
+
[7 + H]
+
[4+ H]
+
50 100 150 200 250 300 350
0
20
40
60
80
100
247
197
168
116
Abundância Relativa
m/z
[2 + H]
+
[6 + H]
+
[7 + H]
+
[4+ H]
+
/ %
60
Para a determinação da estrutura dos produtos provenientes da degradação
fotolítica do Thiamethoxam (1), analisou-se os íons de m/z 247, 197, 168 e 116 por
ESI(+)-MS/MS. A seleção por massas e fragmentação por CID (collision-induced
dissociation) do íon de m/z 247 gerou uma série de íons produto, tais como: 217, 174,
161 e 132 (Figura 2.17). Com base nestes dados, a estrutura [2 + H]
+
foi proposta para
este íon, a qual é consistente com o padrão de fragmentação observado (Esquema 2.2).
Figura 2.17 - ESI(+)-MS/MS para o íon [2 + H]
+
de m/z 247 cuja estrutura proposta é
representada no Esquema 2.2.
50 100 150 200 250 300 350
0
20
40
60
80
100
217
188
247
174
161
132
Abundância Relativa
m/z
247
/ %
50 100 150 200 250 300 350
0
20
40
60
80
100
217
188
247
174
161
132
Abundância Relativa
m/z
247
/ %
61
Esquema 2.2 – Proposta para a fragmentação do íon [2 + H]
+
de m/z 247. O espectro de
fragmentação, ESI(+)-MS/MS, é mostrado na Figura 2.18.
Na fragmentação do íon de m/z 197 (Figura 2.18) observou-se, principalmente,
íons-produto formados por perdas de HN=C=O (m/z 154) e HN=C=O + CH
2
O (m/z
124). Com base neste padrão de fragmentação, a estrutura [6 + H]
+
foi sugerida para
este íon (Esquema 2.3).
CH
3
NH
O
H
S
N
+
N
N
OH
Cl
H
m/z
188
62
Figura 2.18 - ESI(+)-MS/MS para o íon [6 + H]
+
de m/z 197 cuja estrutura proposta é
representada no Esquema 2.3.
Esquema 2.3 – Proposta para a fragmentação do íon [6 + H]
+
de m/z 197. O espectro de
fragmentação, ESI(+)-MS/MS, é mostrado na Figura 2.18.
60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
81
99
110
117
124
154
180
197
m/z
197
Abundância Relativa/ %
60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
81
99
110
117
124
154
180
197
m/z
197
Abundância Relativa/ %
63
A fragmentação por CID do íon de m/z 168 gerou, exclusivamente, o íon
produto de m/z 138 (perda de 30 Da, Figura 2.19), enquanto que o ESI(+)-MS/MS do
íon de m/z 116 mostrou a presença de um íon produto de m/z 86 (perda de 30 Da, Figura
2.20). Uma sugestão para as estruturas de ambos íons precursores, [7 + H]
+
e [4 + H]
+
,
respectivamente, bem como dos produtos de fragmentação, é mostrada no Esquema 2.4.
Figura 2.19 – Espectro de massas dos íons-produto formados pela fragmentação do íon
precursor de m/z 168.
Figura 2.20 – Espectro de massas dos íons-produto formados pela fragmentação do íon
precursor de m/z 116.
60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
110
168
138
Abundância Relativa
m/z
168
/ %
60 80 100 120 140
0
20
40
60
80
100
116
87
86
Abundância Relativa
m/z
116
/ %
60 80 100 120 140
0
20
40
60
80
100
116
87
86
Abundância Relativa
m/z
116
/ %
64
m/z 86
+
S
N
H
2
C
H
- CO, - H
2
CID
[4 + H]
+
m/z 116
H
2
C
N
S
OH
H
+
CID
+
[4 + H]
+
m/z 116
Me
N
S
O
H
H
+
N
CN
N
O
H
Me
+
m/z 138
-CH
2
O
[7 + H]
+
m/z 168
N
O
N
O
Me
CN
H
Esquema 2.4- Fragmentação proposta para os íons [7 + H]
+
de m/z 168 e [4 + H]
+
de m/z
116.
Com base nestes resultados, foi possível sugerir uma rota para a fotodegradação
do Thiamethoxam, a qual está mostrada no Esquema 2.5.
65
Esquema 2.5 – Possível rota para a degradação fotolítica do Thiamethoxam (1), com a
formação dos produtos 2-7.
N
O
N
NH
Me
O
N
[6 + H]
+
m/z 197
H
2
O
-NH
3
, -CO, -H
2
N
O
N
NH
Me
O
N
[6 + H]
+
m/z 197
H
2
O
-NH
3
, -CO, -H
2
66
Na rota de degradação do Thiamethoxam (1) descrita no Esquema 2.5 sugere-se,
como etapa inicial, um ataque nucleofílico de uma molécula de água sobre o nitrogênio
do grupo nitro com a conseqüente eliminação de HNO
3
e formação da imina 2.
Experimentos controle mostraram que a radiação UV é essencial para induzir tal
transformação: de fato, na ausência de radiação UV, o Thiamethoxam permanece
indefinidamente estável em solução aquosa, mesmo quando ozônio, um poderoso
oxidante, é borbulhado ao sistema (ver Figura 2.7). O composto 2 é, então, rapidamente
convertido ao 3 através da substituição nucleofílica de Cl por OH no anel tiazólico. A
formação dos produtos 4 (5-metil-2(3H)-tiazolona) e 5 é sugerida ocorrer a partir da
decomposição fotolítica da forma enólica de 3, como representado no Esquema 2.5.
Analogamente, um átomo de enxofre pode ser eliminado a partir a forma enólica de 3,
num processo conhecido como extrusão, para gerar a lactama 6. Finalmente, a nitrila
conjugada 7 é sugerida ser formada a partir de 6 via uma hidrólise do grupamento
imínico e, concomitantemente, perdas de moléculas de CO e H
2
do anel lactama.
Os compostos em solução aquosa (1-7) estão em equilíbrio com suas formas
protonadas as quais, sob as condições ESI, podem ser transferidas para a fonte de
ionização (fase gasosa) e detectadas pelo espectrômetro de massas. Tais espécies
ionizadas usualmente possuem baixa energia interna e não se fragmentam nesta região.
Deste modo, a distribuição dos íons observada nos espectros de massas ESI(+) refletem
a composição dos compostos em solução. Note que, curiosamente, apenas os compostos
1, 2, 4, 6 e 7 (Esquema 2.5) foram detectados em suas respectivas formas protonadas
nos ESI(+)-MS. Os compostos 3 e 5 são provavelmente formados nestas condições mas,
devido sua instabilidade e alta reatividade, são rapidamente degradados gerando
moléculas de baixo peso molecular (composto 5) ou convertidos em outros produtos
(composto 3).
A proposta de formação do produto 4 proveniente da fotólise do Thiamethoxam
(1) está consistente com resultados obtidos por Schwaerz e colaboradores
94
, que
investigaram os produtos voláteis formados na fotólise de 1 em solução aquosa. Neste
trabalho, uma solução aquosa de Thiamethoxam foi exposta à radiação solar por
períodos de 12 horas, durante 30 dias. As frações voláteis das amostras irradiadas foram
recolhidas, derivatizadas e analisadas por GC/MS. Foi verificado que estas frações eram
constituídas por uma mistura de sulfeto de carbonila (S=C=O) e ácido isociânico
(HN=C=O). A análise da estrutura química do composto 4 permite, indubitavelmente,
67
sugerir que a decomposição de 4 possa estar gerando tais produtos voláteis, como
mostrado no Esquema 2.6.
HN C O
+
C OS
hν
4
Me
N
S
O
H
Esquema 2.6 – Formação dos produtos voláteis sulfeto de carbonila (S=C=O) e ácido
isociânico (HN=C=O) a partir do composto 4.
Quando o monitoramento da degradação fotolítica do Thiamethoxam (1) foi
realizado através da utilização de um outro espectrômetro de massas (com analisador do
tipo “ion trap”), espectros de massas com perfis muito similares aos anteriores foram
obtidos. Por exemplo, a Figura 2.21 mostra o ESI(+)-MS, obtido em tal instrumento,
para uma solução aquosa de 1 submetida à exposição de radiação UV por uma hora.
Observe a presença majoritária dos íons de m/z 247/ 249, 197, 168 e 116 e a ausência
dos íons de m/z 292/294. Além disso, a fragmentação de tais íons precursores gerou
íons-produto com as mesmas m/z anteriormente descritos. Tais resultados indicam,
deste modo, que os íons detectados nos ESI(+)-MS são, realmente, relativos a produtos
de degradação do Thiamethoxam, e não a contaminantes porventura presentes no
equipamento.
Figura 2.21 – ESI(+)-MS da solução aquosa de Thiamethoxam (1) exposta à radiação
UV por 1 hora obtido num espectrômetro de massas com analisador “ion trap”.
50 100 150 200 250 300 350
0
20
40
60
80
100
97
83
314
247
220
197
168
156
142
116
Abundância Relativa
m/z
[2 + H]
+
[6 + H]
+
[7 + H]
+
[4+ H]
+
50 100 150 200 250 300 350
0
20
40
60
80
100
97
83
314
247
220
197
168
156
142
116
Abundância Relativa
m/z
[2 + H]
+
[6 + H]
+
[7 + H]
+
[4+ H]
+
/ %
68
Concluindo, pode-se dizer que três produtos de degradação do Thiamethoxam
foram detectados por ESI(+)-MS e suas estruturas propostas a partir dos dados de
ESI(+)-MS/MS, as quais não haviam sido relatadas previamente. Um estudo mais
detalhado sobre o potencial toxicológico dessas substâncias torna-se necessário para que
seja possível avaliar o impacto ambiental que possam causar quando presentes em águas
superficiais e subterrâneas. Um estudo sobre a ecotoxicidade do Thiamethoxam e seus
produtos de degradação fotolítica é descrito no item 2.4.1.3 deste capítulo.
2.4.1.3 Teste de Ecotoxicidade
Recentemente, testes de ecotoxicidade utilizando Artemia salina tem ganhado
grande atenção dos pesquisadores. Este organismo vive em águas salinas, exibindo alta
tolerância a íons cloro. Além disso, este crustáceo é facilmente obtido e a efetuação do
teste, bem como o procedimento e equipamentos necessários para sua realização são
muito simples.
Artemia salina foi utilizada como organismo teste por Svensson e
colaboradores
95
ao analisarem a toxicidade aguda de águas lixiviadas de três aterros.
Foram realizados testes de ecotoxicidade com amostras de água lixiviada, água lixiviada
purificada com carbono ativado e água lixiviada filtrada e percolada em colunas
catiônicas e aniônicas. Os resultados mostraram que a água lixiviada foi tóxica à
Artemia salina, entretanto, após tratamento com carbono ativado ou colunas de troca
iônica, as amostras de água foram consideravelmente menos tóxicas. Mediante a análise
química da água lixiviada, foi investigada quais as classes de compostos presentes na
água estavam sendo tóxicas ao crustáceo. Para isso, testes de toxicidade foram
realizados com amostras aquosas contendo amônia, amostras contendo compostos
fenólicos e amostras contendo metais pesados. Foi verificado que apenas as amostras
contendo amônia foram tóxicas à Artemia salina. Os resultados mostraram que quanto
maior a concentração de amônia, maior a toxicidade apresentada.
Neste trabalho, Artemia salina também foi utilizada para se avaliar a
ecotoxicidade do Thiamethoxam e seus produtos de degradação fotolítica.
Testes preliminares foram efetuados com soluções padrão do Thiamethoxam nas
concentrações de 25,0 12,5 e 5,0 mg L
-1
, expostas ou não à radiação UV por 30
minutos. Nestas condições, pôde-se verificar que tanto o Thiamethoxam quanto seus
produtos de degradação pela radiação UV não foram tóxicos à Artemia salina. Como as
concentrações estudadas foram baixas, realizou-se novos testes com concentrações mais
69
elevadas. Para isso, foi utilizado o produto comercial Actara, que possui 250 gramas de
ingrediente ativo (Thiamethoxam) para cada 1000 gramas de sua formulação. Os
resultados podem ser observados na Tabela 2.4.
Tabela 2.4 - Resultados dos testes de ecotoxicidade do produto comercial Actara e seus
produtos de degradação para Artemia salina
Concentrações/ mg L
-1
Nº de artemias mortas
(produto comercial Actara)
Nº de artemias mortas
(produtos de degradação
do Actara - solução
exposta à radiação UV)
500,0
10 10
10 10
10 10
250,0
10 9
10 10
10 10
100,0
10 10
10 10
10 10
0,0
(solução controle – sal
marinho)
0 1
0 0
0 0
Percebeu-se que tanto o Actara, como a solução de Actara exposta à radiação
ultra-violeta, nas concentrações de 500, 250 e 100 mg L
-1
, foram extremamente tóxicos
à Artemia salina.
Como existem muitas outras substâncias na composição do Actara, outros testes
se fizeram necessários para confirmar se a toxicidade apresentada realmente foi
originada do Thiamethoxam.
Assim, realizaram-se testes com uma solução do padrão analítico do
Thiamethoxam com concentração inicial de 100 mg L
-1
. Os resultados obtidos são
mostrados na Tabela 2.5.
70
Tabela 2.5- Resultados dos testes de ecotoxicidade do padrão do Thiamethoxam e seus
produtos de degradação para Artemia salina .
Concentrações/ mg L
-1
Nº de artemias mortas
(Thiamethoxam)
Nº de artemias mortas
(produtos de degradação do
Thiamethoxam – solução exposta
à radiação UV por 30 min)
100,0 0 0
0 0
0 0
50,0 0 0
0 0
0 0
20,0 1 0
0 0
0 0
0,0
(solução controle – sal
marinho)
0 0
0 0
0 0
Pela análise dos dados, pôde-se inferir que o Thiamethoxam e seus produtos de
degradação não mostraram toxicidade à Artemia salina nas concentrações de 100, 50 e
20 mg L
-1
. Portanto, foi comprovado que nos testes que exibiram alta toxicidade, a
mortalidade das Artemias ocorreu devido aos demais componentes da formulação do
produto comercial. A composição do Actara é patenteada, portanto, sua formulação não
é divulgada. Entretanto, no rótulo do produto comercial está escrito que os demais
componentes da fórmula são substâncias inertes. Todavia, este trabalho comprovou que
algumas destas substâncias são tóxicas, podendo afetar organismos aquáticos e causar
impactos ambientais.
2.4.2 Degradação dos inseticidas Thiamethoxam e Imidacloprid utilizando-se o
compósito Fe
0
/Fe
3
O
4
Como visto previamente, os óxidos de ferro Fe
3
O
4
(magnetita) e Fe
2
O
3
(hematita), na presença de H
2
O
2
, não foram muito eficientes na degradação do
Thiamethoxam. Dessa forma, testes foram efetuados para se avaliar a eficiência de um
novo sistema, composto por Fe
0
e Fe
3
O
4
na degradação de inseticidas. Assim, o
compósito Fe
0
/Fe
3
O
4
foi utilizado para a degradação do Thiamethoxam e Imidacloprid
em soluções aquosas.
71
Inicialmente, verificou-se a influência da concentração de H
2
O
2
e do pH do meio
na degradação. Para isso, foi realizado um planejamento fatorial 2
2
, com as variáveis
concentração de H
2
O
2
e pH, conduzido na ausência do compósito Feº/Fe
3
O
4
. A Tabela
2.6 mostra os valores de nível mínimo e máximo para cada variável, bem como a
porcentagem de degradação obtida para cada inseticida, após um tempo reacional de 30
minutos.
Tabela 2.6. Planejamento fatorial (2
2
) mostrando a porcentagem média de degradação
para os inseticidas Thiamethoxam e Imidacloprid, obtidas após 30 minutos de reação.
Todos os experimentos foram realizados em duplicata. Os símbolos (+) e (-) indicam os
níveis de alto e baixo, respectivamente, usados para cada variável. (n=2)
Valores das variáveis
(níveis codificados)
Degradação / %
[H
2
O
2
] / mol L
-1
pH Thiamethoxam Imidacloprid
0,00 (-)
2 (-) 1,2 6,7
0,06 (+) 2 (-) 3,1 23,6
0,00 (-) 5 (+) 1,5 0,0
0,06 (+) 5 (+) 4,5 8,9
Condições Reacionais: 20,0 mL de solução aquosa de Thiamethoxam (50 mg L
-1
) ou Imidacloprid
(35 mgL
-1
); 1,00 mL de solução de H
2
O
2
(0,06 mol L
-1
); pH ajustado para 2 (HCl 1 mol L
-1
);
agitação constante por 30 minutos; reação monitorada por HPLC.
A Tabela 2.6 revela que sob estas condições experimentais, a degradação de
ambos os inseticidas foi muito modesta. Por exemplo, os melhores resultados foram
obtidos para o Imidacloprid quando usado H
2
O
2
na concentração de 0,06 mol L
-1
e pH
2, obtendo-se uma taxa média de 23,6 %. Os efeitos das variáveis estudadas são
apresentadas na Tabela 2.7. Pode-se perceber que somente a [H
2
O
2
] teve um efeito
estatisticamente significativo, embora pequeno, sobre a degradação do Thiamethoxam.
Para o Imidacloprid, entretanto, efeitos maiores de ambas as variáveis foram
observados. O decréscimo do pH da solução de 5 para 2 e a elevação da [H
2
O
2
] de 0,00
para to 0,06 mol L
-1
promoveram um aumento na degradação do Imidacloprid de 10,7 e
72
12,9%, respectivamente. Além disso, contrariamente ao observado para o
Thiamethoxam, a interação entre as variáveis foi significativa na degradação do
Imidacloprid (Tabela 2.7). Deste modo, estes resultados indicam que ambos os
inseticidas não são extensivamente degradados pela presença de meio ácido ou por
H
2
O
2.
Entretanto, pode-se notar que, sob estas condições,
o Imidacloprid é mais
susceptível à degradação que o Thiamethoxam.
Tabela 2.7 - Efeito das variáveis [H
2
O
2
] e pH e suas interações na degradação do
Thiamethoxam e Imidacloprid.
Variável
Efeito / %
a
Thiamethoxam Imidacloprid
[H
2
O
2
] 2,4 ± 1 12,9 ± 1,6
pH 0,8 ± 1 -10,7 ± 1,6
[H
2
O
2
] / pH
b
0,5 ± 1 -4,0 ± 1,6
a
Ao nível de
95% de confiança;
b
Interação entre as variáveis.
Para verificar a influência do compósito Feº/Fe
3
O
4
na degradação do
Thiamethoxam e Imidacloprid, um segundo planejamento fatorial foi realizado e os
resultados são mostrados na Tabela 2.8.
73
Tabela 2.8 – Planejamento fatorial (2
3
) mostrando a porcentagem média de degradação
dos inseticidas Thiamethoxam e Imidacloprid em solução aquosa, após 30 minutos de
reação. Todos os experimentos foram realizados em duplicata. Os símbolos (+) e (-)
indicam os níveis alta e baixo, respectivamente, usados para cada variável. (n=2)
Ensaios
Níveis das Variáveis
(valores codificados)
Degradação / %
[H
2
O
2
]/
mol L
-1
pH
m(Feº/Fe
3
O
4
)/
mg
Thiamethoxam Imidacloprid
1 0,06 (+) 2 (-) 1 (-) 99,5 99,0
2 0,00 (-) 5 (+) 10 (+) 2,2 1,8
3 0,00 (-) 2 (-) 1 (-) 12,8 32,5
4 0,06 (+) 2 (-) 10 (+) 99,0 99,0
5 0,06 (+) 5 (+) 1 (-) 5,6 5,8
6 0,00 (-) 5 (+) 1 (-) 1,5 7,5
7 0,00 (-) 2 (-) 10 (+) 87,5 98,5
8 0,06 (+) 5 (+) 10 (+) 5,9 6,5
Condições Reacionais: 20,0 ml de solução aquosa de Thiamethoxam (50 mg L
-1
) ou Imidacloprid
(35 mg L
-1
); 1,00 mL de solução de H
2
O
2
(0,06 mol L
-1
); pH ajustado para 2 (HCl 1 mol L
-1
); 1,0 ou
10,0 mg de Fe
0
/Fe
3
O
4
; agitação constante por 30 minutos; reação monitorada por HPLC
Estes resultados indicam que maiores porcentagens de degradação (>90 %) para
ambos os inseticidas foram obtidas quando o pH da solução foi ajustado para 2,
indicando que esta variável possui um importante papel neste processo. O efeito do pH
pode ser melhor visualizado no gráfico de Pareto, mostrado na Figura 2.22.
74
Figura 2.22- Gráfico de Pareto para a degradação do: (a) Thiamethoxam; e (b)
Imidacloprid. Estes resultados foram obtidos usando-se os dados mostrados na Tabela
2.8.
A Figura 2.22 indica que o decréscimo do pH de 5 (ensaios 2, 5, 6, e 8, para os
quais foram obtidas pequenas porcentagens de degradação) para 2 (ensaios 1, 3, 4 e 7),
implica em um aumento na porcentagem de degradação de cerca de 71 e 77% para o
Thiamethoxam e o Imidacloprid, respectivamente. Este fato pode ser explicado,
levando-se em consideração que em maiores valores de pH, a formação de óxidos e
hidróxidos de ferro insolúveis, reduzem a quantidade de Fe
2+
disponível, diminuindo,
dessa forma, a produção de radicais hidroxila via um mecanismo Fenton
(Fe
2+
+ H
2
O
2
→ Fe
3+
+
HO
•
+ HO
-
). De fato, recentes exemplos descritos na literatura
têm mostrado que o pH da solução é de vital importância para a eficiência de sistemas
de degradação heterogêneos.
96,97,98
As demais variáveis, bem como suas interações
parecem ter menor efeito, embora estatisticamente significativos, na degradação de
ambos os inseticidas, como pode ser visto na Figura 2.22. O efeito das variáveis
concentração de H
2
O
2
e massa de compósito foi positivo, indicando que a presença de
H
2
O
2
e massas maiores conduzem a uma maior taxa de degradação para os dois
inseticidas estudados.
Os resultados do ensaio 7 ([H
2
O
2
] = 0 mol L
-1
; pH = 2; m(Feº/Fe
3
O
4
) = 10 mg)
indicam que o compósito Feº/Fe
3
O
4
foi altamente eficiente
na promoção da degradação
Efeito das variáveis e interações /%
75
dos inseticidas, mesmo na ausência de H
2
O
2,
com uma porcentagem média
de
degradação de 87,5 e 98,5% para o Thiamethoxam e Imidacloprid, respectivamente.
Neste caso, provavelmente ocorre uma degradação redutiva de ambos os inseticidas,
supostamente via uma transferência de elétrons da superfície do Feº para as moléculas
alvo. De fato, o uso de uma menor massa do compósito Feº/Fe
3
O
4
(ensaio 3: [H
2
O
2
] = 0
mol L
-1
; pH = 2; m(Feº/Fe
3
O
4
) = 1 mg) causou um decréscimo proporcional na
porcentagem de degradação de ambos os inseticidas (médias de 12,8 e 32,5% para o
Thiamethoxam e Imidacloprid, respectivamente).
Reciprocamente, no ensaio 1 ([H
2
O
2
] = 0,06 mol L
-1
; pH = 2; m(Feº/Fe
3
O
4
) = 1
mg), onde [H
2
O
2
] e m(Feº/Fe
3
O
4
) foram empregados nos níveis mais alto e mais baixo,
respectivamente, foi obtida uma completa degradação de ambos os inseticidas. Este
resultado, sugere fortemente que o compósito Feº/Fe
3
O
4,
na presença de um excesso de
H
2
O
2
e em pH 2, pode facilmente promover a oxidação de ambas as moléculas alvo, via
um ataque inicial por radicais hidroxila gerados in situ.
Finalmente, as condições utilizadas no ensaio 4 (pH = 2; [H
2
O
2
] e m(Feº/Fe
3
O
4
)
em seus níveis máximos), também proporcionaram a quase completa degradação de
ambos os inseticidas. Sob estas condições, em que a relação entre as variáveis [H
2
O
2
]/
m(Feº/Fe
3
O
4
)= 0,006 não é tão alta como a que foi verificada no ensaio 1 ([H
2
O
2
]/
m(Feº/Fe
3
O
4
) = 0,06) e nem tão baixa com a encontrada no ensaio 7 ([H
2
O
2
]/
m(Feº/Fe
3
O
4
) = 0), pôde-se inferir que ambos os substratos podem ser degradados via
uma redução promovida pelas partículas de Fe
0
na superfície do compósito ou por uma
oxidação causada pelos radicais hidroxila. Efeitos similares foram previamente
reportados por Boussahel e colaboradores
99
, os quais sugeriram que a degradação de
uma solução aquosa de DDT (um pesticida clorado) em meio ácido, por Fe
0
e na
presença de H
2
O
2,
semelhantemente ocorreu via um processo redutivo (transferência de
elétrons da superfície do Fe
0
para os átomos de cloro) ou oxidativo (ataque de radicais
hidroxila).
Modelo Matemático
Para predizer os resultados de experimentos conduzidos sob condições um
pouco distintas das que foram empregadas neste trabalho e até mesmo para se ter uma
resposta otimizada, os dados mostrados na Tabela 2.8 foram compilados para que se
pudesse gerar uma equação matemática que correlacionasse a porcentagem de
degradação do Thiamethoxam (THI) e Imidacloprid (IMI) com as variáveis [H
2
O
2
], pH,
76
e m(Feº/Fe
3
O
4
). Os modelos matemáticos resultantes para o THI e o IMI são mostrados
nas equações abaixo:
THI = 33,1 + 1706,5
*
[H
2
O
2
] – 8,6
*
pH + 8,9
*
m(Feº/Fe
3
O
4
) – 251,3
*
[H
2
O
2
]
*
pH –
70,1
*
[H
2
O
2
]
*
m(Feº/Fe
3
O
4
) – 1,4
*
pH
*
m(Feº/Fe
3
O
4
)
IMI = 62,4 + 1217,4
*
[H
2
O
2
] – 13,1
*
pH + 8,0
*
m(Feº/Fe
3
O
4
) – 177,9
*
[H
2
O
2
]
*
pH –
55,1
*
[H
2
O
2
]
*
m(Feº/Fe
3
O
4
) – 1,3
*
pH
*
m(Feº/Fe
3
O
4
) `
Estes modelos lineares simples, apesar de não incluírem termos quadráticos ou
interações de terceira ordem, isto é [H
2
O
2
]/ pH/ m(Feº/Fe
3
O
4
), foram capazes de
explicar mais que 90% da variância total dos dados experimentais.
A Figura 2.23 mostra o gráfico em cubo com as respostas (porcentagens de
degradação) preditas pelos modelos lineares simples (Equações para o THI e IMI) sob
condições experimentais específicas (descritas na Tabela 2.8). Uma boa concordância
entre as respostas experimentais e calculadas pode ser observada em todas as oito
condições experimentais avaliadas neste trabalho. Por exemplo, a porcentagem média
de degradação observada para o Thiamethoxam no ensaio 7 ([H
2
O
2
] = 0,00 mol L
-1
; pH
= 2; m(Feº/Fe
3
O
4
) = 10,0 mg) foi 87,5% (Tabela 2.8) contra um valor predito de 78,1%
(Figura 2.23a, vértice com *). Similarmente, pôde-se observar que a porcentagem média
de degradação do Imidacloprid no ensaio 1 ([H
2
O
2
] = 0,06 mol L
-1
; pH = 2;
m(Feº/Fe
3
O
4
) = 1,0 mg) foi igual a 99% (Tabela 2.8), sendo que o valor predito pela
Equação do IMI foi igual a 89,9% (Figure 2.23b, vértice com *).
(a) (b)
Figure 2.23 – Figura em cubo mostrando as respostas de degradação preditas sob
condições experimentais especificadas na Tabela 2.8 para: (a) Thiamethoxan; e (b)
Imidacloprid. As respostas foram calculadas usando as equações acima.
H
2
O
2
p
H
m(Fe
0
/Fe
3
O
4
)
p
H
H
2
O
2
m(Fe
0
/Fe
3
O
4
)
*
*
H
2
O
2
p
H
m(Fe
0
/Fe
3
O
4
)
p
H
H
2
O
2
m(Fe
0
/Fe
3
O
4
)
*
*
77
2.4.3 Degradação dos inseticidas Thiamethoxam e Imidacloprid por Fe
0
e
elucidação dos produtos de degradação por ESI-MS
Vários trabalhos têm mostrado bons resultados em relação à utilização de Fe
0
na
degradação de moléculas orgânicas. Por exemplo, Ghauch
100
estudou a degradação
redutiva dos pesticidas Benomyl, Picloram e Dicamba utilizando ferro metálico e
obteve-se elevadas taxas de degradação em poucos minutos de reação. Souza e
Zamora
101
investigaram a degradação redutiva de corantes azo, utilizando esponja de
aço como fonte de ferro metálico. Os pesquisadores obtiveram resultados promissores
quanto à descoloração dos corantes estudados. Dados da literatura também reportam que
a degradação redutiva de moléculas orgânicas seria favorecida em valores mais baixos
de pH. Valores mais altos de pH favorecem a formação de óxidos/hidróxidos que
passivam o metal, impedindo que a superfície metálica doe elétrons para o substrato,
não ocorrendo degradação significativa das moléculas alvo
102
.
Assim, neste trabalho, avaliou-se a eficiência do Fe
0
em meio ácido na
degradação dos inseticidas Thiamethoxam e Imidacloprid. Os produtos de degradação
de ambos os inseticidas também foram investigados utilizando-se a técnica ESI-MS.
As Figuras 2.24a e b, mostram a degradação dos inseticidas Thiamethoxam e
Imidacloprid, respectivamente, em solução aquosa, induzida por Fe
0
em pH 2, com a
presença ou não da energia ultrassônica. Apesar do US não ter sido utilizado nos
últimos experimentos, avaliou-se novamente a influência do mesmo, uma vez que a
literatura mostra que para alguns metais, a energia ultrassônica impede a passivação do
mesmos, aumentando, portanto, a eficiência do processo de degradação.
64,100, 103
78
Figura 2.24- Degradação dos inseticidas (a) Thiamethoxam e (b) Imidacloprid em
função do tempo de reação. As concentrações encontram-se normalizadas e as reações
foram conduzidas em meio ácido (pH = 2), na presença de Fe
0
, com ou sem radiação
US. Os dados foram obtidos por HPLC.
Como pode ser observado, o Fe
0
, em meio ácido, foi capaz de degradar
completamente ambos os inseticidas, com um tempo de reação de aproximadamente 30
minutos. Contrariamente ao observado por muito metais de valência zero
103,104
, o US
teve pouca influência na reatividade do Fe
0
. Provavelmente a superfície do Fe
0
apresenta uma menor tendência de ser passivada em meio ácido em comparação a
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 6 12 18 24 30
Tempo (min)
C/C0
THI/Fe0/pH2/sem US
THI/Fe0/pH2/com US
Tempo / min
(a)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 6 12 18 24 30
Tempo (min)
C/C0
THI/Fe0/pH2/sem US
THI/Fe0/pH2/com US
Tempo / min
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 6 12 18 24 30
Tempo (min)
C/C0
THI/Fe0/pH2/sem US
THI/Fe0/pH2/com US
Tempo / min
(a)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 6 12 18 24 30
Tempo (min)
C/C0
IMI/Fe0/pH2/sem US
IMI/Fe0/pH2/com US
Tempo / min
(b)
79
outros metais, como o zinco e o estanho (zinco e estanho formam óxidos que são muito
mais resistentes ao ataque ácido que os óxidos de ferro).
Degradação do Thiamethoxam por Fe
0
: monitoramento por ESI(+)-MS e ESI-MS/MS
A Figura 2.25 mostra o espectro de massas das soluções de Thiamethoxam (1,
C
8
H
10
N
5
O
3
SCl) em pH = 2 e concentração 50 mg L
-1
, no tempo 0 e depois de 30
minutos de tratamento com Fe
0
. O espectro de massas da solução aquosa de
Thiamethoxam (Figura 2.25a) mostra a presença predominante do aduto protonado, [1 +
H]
+
, de m/z 292/294, além do aduto sodiado [1 + Na]
+
, de m/z 314/316.
A Figura 2.25b mostra o espectro de massas da solução aquosa de
Thiamethoxam após 30 min de reação com Fe
0
e pH igual a 2. Pode-se perceber a
redução da intensidade do pico de m/z 292/294, [1 + H]
+
indicando um considerável
consumo da molécula de Thiamethoxam sob as condições estudadas. Além disso, a
presença de outros íons de m/z 262/264, 247/249, e 274/276 foi detectada. Pode-se
deduzir através do padrão isotópico dos íons, a presença de cloro em suas estruturas.
80
Figura 2.25 - ESI(+)-MS da solução aquosa de Thiamethoxam 50 mg L
-1
(1) tratada
com 10 mg de Fe
0
em pH 2: (a) 0 min de reação; (b) 30 min de reação.
Levando-se em consideração a m/z de cada íon, pôde-se propor estruturas para
os íons de m/z 262/264, 247/249, e 274/276, as quais são respectivamente representadas
por [1b + H]
+
, [1c + H]
+
, e [1d + H]
+
e mostradas no Esquema 2.7. De acordo com os
resultados, a diferença de 30 unidades de m/z entre [1 + H]
+
(de m/z 292/294) e [1b +
H]
+
(de m/z 262/264) indica que [1b + H]
+
corresponde a ([1 + H]
+
- 2O (32 Da) + 2H
(2 Da)). Semelhantemente, a ∆ m/z entre [1b + H]
+
(de m/z 262/ 264) e [1c + H]
+
(de
81
m/z 247/ 249) de 15 unidades sugere que [1c + H]
+
pode ser entendido como ([1b + H]
+
- NH
2
(16 Da) + H (1 Da)). Finalmente, a ∆ m/z entre [1 + H]
+
(de m/z 292/ de 294) e
[1d + H]
+
(de m/z 274/ 276) de 18 unidades indica que [1d + H]
+
é referente a ([1 + H]
+
- H
2
O (18 Da)).
Esquema 2.7- Proposta para a rota de degradação do Thiamethoxam em solução aquosa,
promovida pelo Fe
0
em meio ácido (pH = 2).
Para confirmação das estruturas propostas provenientes da degradação redutiva
do Thiamethoxam (1), os íons [1b + H]
+
, [1c + H]
+
, e [1d + H]
+
foram analisados por
82
ESI(+)-MS/MS. A seleção por massas e fragmentação por CID dos íons gerou uma
série de íons filhos (Tabela 2.9), os quais sustentam as propostas feitas para as
estruturas, como pode ser observado no Esquema 2.8.
Tabela 2.9-Principais fragmentos gerados por CID dos íons [1b + H]
+
, [1c + H]
+
, e [1d
+ H]
+
detectados no ESI(+)-MS de uma solução aquosa de Thiamethoxam (1) tratada
com o Fe
0
em meio ácido (pH = 2)
Íon precursor (m/z) Fragmentos (abundância relativa %)
[
1b
+ H]
+
(262) 232 (100), 189 (27), 161 (46)
[
1c
+ H]
+
(247) 217 (79), 161 (100)
[
1d
+ H]
+
(274) 244 (100), 161 (76)
83
m/z 161
N
N
S
Cl
H
+
- N
2
m/z 189
+
N
C
N
S
Cl
H
N
H
NH
2
m/z 232
- H
3
CN=CH
2
+
+
N
N
S
Cl
N
H
N
NH
2
CH
2
O
[1b + H]
+
m/z 262
CID
N
O
N
N
NH
2
N
S
Cl
H
CID
[1c + H]
+
m/z 247
N
O
N
N
H
N
S
Cl
H
+ +
N
N
S
Cl
H
N
N
H
m/z 217
- CH
2
O
- HN=CH-N=CH
2
m/z 161
+
N
N
S
Cl
H
CID
[1d + H]
+
m/z 274
+
N
O
N
N
N
N
S
Cl
O
-
H
+
- CH
2
O
+
+
N
N
N
N
S
Cl
O
-
H
N
m/z 244
+
m/z 161
N
S
Cl
H
O
N
- 2 HCN
- H
2
C=NH
Esquema 2.8- Propostas para a fragmentação dos íons [1b + H]
+
, [1c + H]
+
, e [1d + H]
+
.
Com base nestes resultados, uma rota de degradação para a reação do
Thiamethoxam (1) em solução aquosa (pH = 2) induzida por Fe
0
foi proposta, como
mostrado no Esquema 2.7. Sugere-se que o mecanismo envolva uma etapa inicial da
reação que consiste na redução do grupo nitro de 1 com a formação de uma hidrazina
hidroxilada muito instável 1a. Pode-se perceber que os íons [1a + H]
+
de m/z 278/280
não foram detectados no espectro ESI(+)-MS (Figura 2.25). Sabe-se que muitos agentes
podem ser utilizados para promover a redução do grupo NO
2
, como Fe
0
, Zn
0
e Sn
0
na
presença de ácido. Entretanto, o mecanismo destas reduções foi pouco estudado, embora
se presuma que geralmente os compostos contendo o grupo hidroxilamino são
intermediários nestes processos. Sequencialmente, a hidrazina hidroxilada 1a é
rapidamente reduzida para formar a hidrazona 1b, a qual pode sofrer uma eliminação
redutiva do grupo NH
3
para formar a imina 1c, que é provavelmente estabilizada por
84
ressonância com os elétrons não ligantes do nitrogênio do anel. A formação de 1b e 1c a
partir de 1 foi relatada em trabalhos anteriores. Ford e colaboradores
105
observaram que
os compostos 1b e 1c são dois dos vários produtos formados a partir do metabolismo do
Thiamethoxam por ratos. Em um outro trabalho, Casida e colaboradores
106
relataram a
formação de 1b e 1c tratando 1 com ferro ou zinco metálico em solução aquosa ácida.
Finalmente, a formação de um carbânion estabilizado seguido por um ataque
nucleofílico do carbono aniônico ao nitrogênio do grupo eletrofílico NO
2
seguido de
uma perda de água é proposto para explicar a formação do composto 1d, o qual nunca
foi previamente relatado na literatura.
Degradação do Imidacloprid por Fe
0
: monitoramento por ESI(+)-MS e ESI-MS/MS
A Figura 2.26a mostra o espectro ESI(+)-MS de uma solução aquosa (pH = 2)
do inseticida Imidacloprid (2), onde pode ser observada a presença dos íons de m/z 256/
258 e 278/ 280, atribuídas a [2 + H]
+
e [2 + Na]
+
, respectivamente. A abundância
isotópica de ambos os íons indica a presença de um átomo de cloro em suas estruturas.
85
100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
a)
[2 + Na]
+
[2 + H]
+
278
256
Abundância relativa (%)
m/z
100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
b)
[2e + H]
+
[2c + H]
+
211
177
[2b + H]
+
226
192
[2d + H]
+
Abundância relativa (%)
m/z
Figura 2.26. ESI(+)-MS da solução aquosa de Imidacloprid (2) tratada por Fe
0
em pH 2: (a) 0 min de reação; (b) 30 min de reação.
A Figura 2.26b mostra o espectro ESI(+)-MS de uma solução aquosa do
pesticida Imidacloprid tratada com Fe
0
e pH 2, por 30 minutos. Depois deste tempo, os
íons [2 + H]
+
e [2 + Na]
+
não foram detectados,
indicando que o pesticida Imidacloprid
86
(2) foi degradado sob estas condições. Além disso, foi detectada a presença de outros
íons: m/z 226/ 228, 211/ 213, 192, e 177 (o primeiro e o segundo apresentam um átomo
de cloro em suas estruturas). Estes dados foram analisados e baseando-se nos
argumentos usados para a interpretação dos dados obtidos para o Thiamethoxam, foram
propostas as estruturas para os íons de m/z 226/228, 211/213, 192, e 177, as quais foram
representadas por: [2b + H]
+
, [2c + H]
+
, [2d + H]
+
e [2e + H]
+
(Esquema 2.9). Estas
estruturas são consistentes com a fragmentação dos íons [2b + H]
+
, [2c + H]
+
, [2d +
H]
+
, e [2e + H]
+
(Tabela 2.10), como claramente representado no Esquema 2.10.
2c (210/ 212 Da)
N
N
Cl
N
NH
2
[2c + H]
+
m/z 211/ 213
M
2+
; NH
3
M, H
+
[2e + H]
+
m/z 177
[2d + H]
+
m/z 192
[2b + H]
+
m/z 226/ 228
[2a + H]
+
m/z 242/ 244
[2 + H]
+
m/z 256/ 258
M
2+
; NH
3
M, H
+
N
N
N
NHNH
2
N
N
Cl
N
NHNH
2
2e (176 Da)
N
N
N
NH
2
M
2+
; Cl
-
M, H
+
2d (191 Da)
2b (225/ 227 Da)
M
2+
; H
2
O
M, H
+
N
N
Cl
N
N N
H
OH
H
2a (241/ 243 Da)
M
2+
, H
2
O
M, H
+
2 (255/ 257 Da)
+
N
N
Cl
N
N N
O
-
O
H
Esquema 2.9- Proposta de degradação do Imidacloprid (2) promovida pelo Fe
0
em
solução aquosa e pH igual a 2.
87
Tabela 2.10- Principais fragmentos gerados por CID dos íons [2b + H]
+
, [2c + H]
+
, [2d
+ H]
+
e [2e + H]
+
detectados no ESI(+)-MS de uma solução aquosa de Imidacloprid (2)
tratada com Fe
0
em pH igual a 2.
Íon precursor (m/z) Íons fragmentos (Abundância relativa %)
[
2b
+ H]
+
(226) 190 (59), 141 (35), 100 (100)
[
2c
+ H]
+
(211) 128 (100)
[
2d
+ H]
+
(192) 175 (44), 119 (100)
[
2e
+ H]
+
(177) 94 (100)
CID
H
N
N
NH
2
+
+
N
N
N
NH
2
H
X
[2c + H]
+
; X = Cl; m/z 211
CID
CID
N
N
N
NHNH
3
+
[2d + H]
+
m/z 192
m/z 175
N
N
N
NH
+
- NH
3
N
N
+
m/z 119
- HCN
- CH
3
NHNH
2
CID
CID
CID
N
N
Cl
N
NHNH
2
H
[2b + H]
+
m/z 226
N
N
Cl
H
H
+
m/z 141
- N
2
H
2
- HCN; - C
2
H
4
+
- HCl
+
N
N
N
NHNH
2
m/z 190
NCl
CH
2
N
N
NHNH
2
H
+
.
.
m/z 100
[2e + H]
+
; X = H; m/z 177
X = H; m/z 94
X = Cl; m/z 128
N
H
X
Esquema 2.10- Proposta para a fragmentação dos íons [2b + H]
+
, [2c + H]
+
, [2d
+ H]
+
e [2e + H]
+
.
88
De acordo com os resultados, o mecanismo para a degradação do Imidacloprid
(2) por Fe
0
e em meio ácido foi proposto, como descrito no Esquema 2.9. Esta rota,
como sugerido igualmente para a degradação do Thiamethoxam sob circunstâncias
idênticas (Esquema 2.7), envolve a redução inicial do grupo nitro de 2 para gerar a
hidrazina hidroxilada instável 2a (cuja forma protonada de m/z 242/244 não foi
detectada). Sequencialmente, 2a pode rapidamente ser reduzido para formar a hidrazona
monosubstituída 2b, a qual pode sofrer uma eliminação redutiva do NH
3
para formar a
amina 2c. Alternativamente, 2b pode sofrer uma descloração redutiva para formar a
hidrazina 2d, a qual gera a amina 2e através de uma eliminação redutiva do NH
3.
Pardo
e colaboradores
107
investigaram a degradação fotoquímica do Imidacloprid (2) através
da técnica de Polarografia de Pulso Diferencial (DPP) e pela Cromatografia
Eletrocinética Micelar Capilar (MECC). Baseado nestes resultados, eles propuseram
uma rota muito similar para a degradação de 2 formando os compostos 2a, 2b, e 2c. Os
compostos 2b e 2c também foram relatados em outros trabalhos
108,109
. Casida e
colaboradores
106
sintetizaram o composto 2e pela primeira vez e verificaram que sua
atividade inseticida é comparável a do Imidacloprid. Além disso, relatou-se que a
remoção do halogênio dos anéis aromáticos (como argumentado na descloração do
Imidacloprid, Esquema 2.9) pode ser realizada por diversos metais de valência zero,
incluindo o Sn
0
, o Zn
0
, e o Fe
0
, em meio ácido
110,111
.
2.4.4 Degradação do inseticida Methomyl
Inicialmente, foi realizado um estudo para se verificar a eficiência dos sistemas
radiação UV, H
2
O
2
, Fe
0
em meio ácido, Fe
0
/Fe
3
O
4
/H
2
O
2
e ozonização na degradação do
inseticida Methomyl. Os resultados obtidos são apresentados na Figura 2.27.
89
Figura 2.27 - Efeito da radiação ultra-violeta (UV), H
2
O
2
, ozonização (O
3
), Fe
0
em
meio ácido, compósito Fe
0
/Fe
3
O
4
e H
2
O
2
na degradação do Methomyl. Condições
reacionais: 15 mL de solução aquosa de Methomyl (35 mg L
-1
); pH=2 (ajustado
gotejando-se H
2
SO
4
(1:1)); 1 mL de H
2
O
2
(0,1 mol L
-1
); fluxo de ozônio de 1,2 x 10
-6
mols de ozônio min
-1
; 10 mg de Fe
0
ou Fe
0
/Fe
3
O
4
; agitação constante; tempo reacional
de 30 minutos.
Verificou-se que apenas a radiação UV foi eficaz, promovendo cerca de 100 %
de degradação após 30 min de exposição. Com relação aos outros sistemas empregados,
observou-se que os mesmos não produziram bons resultados de degradação após o
mesmo tempo de reação, com exceção da ozonização, que proporcionou um resultado
de cerca de 60% de degradação.
Visando estudar a degradação deste inseticida em função do tempo, soluções de
Methomyl (35 mg L
-1
), foram submetidas à radiação UV e à ozonólise. Alíquotas foram
retiradas em intervalos de 10 min e analisadas por HPLC. Os resultados obtidos podem
ser vistos na Figura 2.28:
0
20
40
60
80
100
UV Fe
0
/pH 2 Fe
0
/Fe
3
O
4
/H
2
O
2
O
3
H
2
O
2
% Degradação
90
Figura 2.28- Degradação do inseticida Methomyl em função do tempo, submetido à
ozonólise ou à radiação ultra-violeta (UV). Os dados foram obtidos por HPLC.
Condições reacionais:15 mL de solução aquosa de Methomyl (35 mg L
-1
); fluxo de
ozônio de 1,2 x 10
-6
mols de ozônio min
-1
; radiação UV (tubo de quartzo); agitação
constante.
Mais uma vez, a ozonólise apresentou uma capacidade de degradação muito
inferior: após idêntico tempo reacional, notou-se que apenas 50% do inseticida foi
degradado. A presença de ligações π na molécula do Methomyl, que podem levar à
formação de espécies foto-excitadas altamente reativas, está provavelmente relacionada
à elevada eficiência da radiação UV em promover a degradação de tal substrato. Além
disso, é importante mencionar que a adição de quantidades extras de H
2
O
2
junto à
reação de ozonólise não produziu um aumento considerável no rendimento da
degradação do inseticida.
2.4.4.1 Teste de ecotoxicidade
Para se avaliar a ecotoxicidade do Methomyl e seus produtos de degradação,
bio-ensaios com Artemia salina foram realizados.
Nos experimentos com solução padrão de Methomyl com concentração inicial
de 150 mg L
-1
, exposta ou não à radiação UV (em tubo de quartzo) por 30 minutos,
foram obtidos os dados da Tabela 2.11.
91
Tabela 2.11 - Resultados dos testes de ecotoxicidade do padrão analítico de Methomyl
e seus produtos de degradação para Artemia salina
Concentrações / mg L
-1
Nº de artemias mortas
(Methomyl)
Nº de artemias mortas
(produtos de degradação do
Methomyl por radiação UV)
75,0
10 10
10 10
10 10
37,5
10 10
10 8
10 9
15,0
8 0
6 1
9 0
0,0
(solução controle – sal
marinho)
0 0
0 0
0 0
Pelos dados obtidos, pôde-se verificar que o Methomyl nas concentrações de
75,0; 37,5 e 15,0 mg L
-1
é bastante tóxico à Artemia salina, atingindo um índice de
mortalidade de 100% para as duas primeiras concentrações e cerca de 77% para a
concentração de 15,0 mg L
-1
. Em relação aos produtos de degradação, pôde-se verificar
que os mesmos são tóxicos nas concentrações de 75,0 e 37,5 mg L
-1
. Entretanto, na
concentração de 15,0 mg L
-1
, os produtos de degradação não apresentaram toxicidade à
Artemia Salina (ocorreu apenas 3% de mortalidade).
Utilizando-se os dados da Tabela 2.11 e o programa Statplus, foi possível
calcular a DL100 (dose letal a 100% dos indivíduos) para o Methomyl e seus produtos
de degradação. Os resultados obtidos através do Statplus mostram uma DL 100 de 6,8
mg L
-1
e 51,3 mg L
-1
para o Methomyl e seus produtos de degradação, respectivamente.
Como pode ser verificado, estes dados sugerem que a radiação UV diminui a toxicidade
do Methomyl, ou seja, neste caso, os produtos de degradação são menos tóxicos à
Artemia Salina que o próprio substrato.
92
2.4.5 Análise de Carbono Orgânico Total (TOC)
Foram realizadas análises de carbono orgânico total para as soluções dos
inseticidas Thiamethoxam, Imidacloprid e Methomyl, em suas melhores condições de
degradação. No entanto, os resultados de TOC evidenciaram que não houve perda de
carbono orgânico das soluções, indicando que nas condições utilizadas, o processo de
mineralização não ocorre e que estes inseticidas se convertem em outras substâncias,
conforme visto por ESI-MS.
2.5 Conclusões
Os processos combinados, UV/catalisador, UV/US/catalisador, degradaram
significativamente o Thiamethoxam em solução aquosa, entretanto, a radiação ultra-
violeta isolada mostrou maior eficiência na degradação do composto.
O Fe
0
em meio ácido, bem como o sistema combinado Fe
0/
Fe
3
0
4
/pH2 na
presença ou ausência de H
2
O
2
, promoveram respectivamente, eficientes degradações
oxidativas ou redutivas das soluções aquosas dos inseticidas Thiamethoxam e
Imidacloprid.
O inseticida Methomyl atingiu 100% de degradação quando submetido à
radiação ultra-violeta.
As análises de TOC mostraram que não ocorreu mineralização das soluções
aquosas dos inseticidas Thiamethoxam, Imidacloprid e Methomyl submetidas à
diferentes processos de degradação, indicando, portanto, a formação de produtos de
degradação.
As análises por espectrometria de massas com ionização electrospray
mostraram-se muito eficientes durante os estudos de degradação. Além de serem mais
rápidas e fáceis, permitiram a obtenção de espectros de massas reprodutíveis, os quais
foram utilizados para propor a rota de degradação do Thiamethoxam e do Imidacloprid.
O Thiamethoxam e seus produtos de degradação não apresentam ecotoxicidade à
Artemia salina. Entretanto, o inseticida Methomyl se mostrou bastante tóxico a este
microcrustáceo. Sob a ação da radiação UV, a toxicidade do Methomyl diminuiu
acentuadamente.
93
Capítulo 3
Neste capítulo estudou-se a degradação de alguns corantes utilizados
na indústria alimentícia, empregando-se vários processos oxidativos
avançados. As reações de degradação foram monitoradas pela
espectrofotometria UV-visível. A espectrometria de massas com fonte de
ionização electrospray foi utilizada para se identificar os produtos de
degradação desses corantes. Além disso, testes de ecotoxicidade dos corantes e
produtos de degradação formados em relação à Artemia salina foram
realizados.
94
3.1 Introdução
Os corantes alimentícios são substâncias que transmitem aos alimentos novas
cores ou exaltam as que eles já possuem, com a finalidade de melhorar o seu aspecto.
Até meados do século XIX, a cor era obtida de fontes naturais, como extratos de
plantas, árvores, líquens ou insetos. Apenas em 1856, Henry Perkin sintetizou o
primeiro corante. Desde então, um grande número de corantes é produzido
e estes são
usados nas indústrias alimentícias, têxtil, papel, cerâmica e outras. As pesquisas
mostram que, atualmente, os corantes são extremamente comuns. Existem
aproximadamente 10.000 tipos de corante.
112
Na indústria alimentícia, a função dos corantes é “colorir” os alimentos, fazendo
com que os produtos industrializados tenham uma aparência agradável e mais parecida
com a dos produtos naturais, já que a cor e a aparência têm um papel importantíssimo
na aceitação dos produtos pelo consumidor. Um refrigerante sabor laranja sem corantes
ficaria com a aparência de água pura com gás, o que faria que parecesse mais artificial,
dificultando sua aceitação. É inegável que uma bebida com sabor e cor de laranja é
muito mais agradável de beber do que uma bebida incolor com gosto de laranja.
Existem, entretanto, razões de ordem técnica para se colorir os alimentos
113
, destacando-
se as seguintes:
• Restaurar a cor dos produtos cuja coloração natural foi afetada ou
destruída durante o processamento.
• Uniformizar a cor dos alimentos produzidos a partir de matérias-primas
de origem diversa.
• Conferir cor a alimentos incolores.
Do ponto de vista da saúde, os corantes artificiais, em geral, não são
recomendados, justificando seu uso quase que exclusivamente pelos aspectos comercial
e tecnológico. A literatura científica é farta em apontar cuidados com a ingestão de
corantes sintéticos. As pesquisas, além de alertar sobre os limites de tolerância dos
corantes permitidos, já subsidiaram a proibição de vários corantes sintéticos em muitos
países. A publicação de estudos do Codex Alimentarius, órgão ligado à Organização
Mundial de Saúde, já fundamentou o banimento de alguns corantes por ministérios da
saúde de todo o mundo, inclusive o brasileiro. Foram proibidos, por exemplo, o
Amarelo Sólido, até então muito empregado em gelatinas; o laranja GGN, usado em pós
para sorvetes; o Vermelho Sólido, para recheios e revestimentos de biscoitos; o Azul de
95
Alizarina, corante em óleos emulsionados e gelatinas; e o Escarlate GN, com o uso em
recheios de confeitarias.
114
No Brasil, pela legislação atual e pelas Resoluções nº 382 a 388, de 9 de agosto
de 1999 da ANVISA (Agência de Vigilância Sanitária), são permitidos para alimentos e
bebidas o uso de apenas onze corantes artificiais, sendo eles: Amaranto, Vermelho de
Eritrosina, Vermelho 40, Ponceau 4R, Amarelo Crepúsculo, Amarelo Tartrazina, Azul
de Indigotina, Azul Brilhante, Azorrubina, Verde Rápido e Azul Patente V (ANVISA,
2002, ABIA – Associação Brasileira de Indústrias Alimentícias, 2001). Existe um
consenso desta legislação entre os países membros do Mercosul, no que se refere ao uso
de corantes em alimentos. A Resolução GMC nº 50/98 trata dessa harmonização, bem
como a Resolução GMC 52/98 que se refere aos critérios para determinar funções dos
aditivos e seus máximos para todas as categorias de alimentos.
115
O fato desses corantes sintéticos serem permitidos não anula seus efeitos
adversos, que embora não sejam divulgados na embalagem, são descritos em artigos
científicos. O comitê de peritos da FAO (Food and Agriculture Organization) e da OMS
(Organização Mundial de Saúde) para aditivos alimentares, o JECFA (Joint Expert
Committee on Food Additives) recomenda que os países verifiquem sistematicamente o
consumo total de aditivos permitidos, por meio de estudos da dieta da população, para
assegurar que a ingestão total não ultrapasse os valores determinados na IDA (Ingestão
Diária Aceitável).
116
Alguns trabalhos mostraram que os corantes podem causar desde simples
urticárias, passando por asmas e reações imunológicas, chegando até ao câncer em
animais de laboratórios.
117,
114
Pesquisas realizadas com 486 crianças hiperativas,
entre 7 e 13 anos, demonstraram que 60% reportavam problemas de aumento de
hiperatividade quando consumiam alimentos coloridos artificialmente.
118
Yamazaki e colaboradores
119
demonstraram que alguns corantes vermelhos
podem interferir na coagulação sanguínea, apresentando um risco potencial à saúde.
Desde 1908, o Amaranto tem sido usado como corante alimentar. Entretanto, em
1970, estudos mostraram que esse corante era carcinogênico. Em 1977, a Legislação
Italiana baniu seu uso na maioria dos alimentos. Nos Estados Unidos, por medida de
segurança, o Amaranto também foi proibido. Entretanto, em países como Brasil e
Canadá, seu uso é liberado, pois sua estrutura química é bastante semelhante à de outros
corantes permitidos.
120
96
Sabe-se que entre os sistemas biológicos, o intestino humano, as bactérias
aeróbicas do solo e os lodos ativados são capazes de reduzir os azo corantes,
caracterizados pela ligação (-N=N-), que são os corantes artificiais mais utilizados.
Acreditava-se que, no metabolismo de mamíferos, os azo corantes sulfonados solúveis
em água, como os corantes alimentícios, eram principalmente reduzidos pelas bactérias
anaeróbicas do intestino e a redução não ocorria no fígado. Dessa forma, os metabólitos
resultantes, que muitas vezes são aminas aromáticas, algumas das quais são conhecidas
por serem carcinogênicas, eram excretadas do corpo mais facilmente. Entretanto, uma
pesquisa feita recentemente mostra que a redução não enzimática pode ocorrer no
estômago, fazendo com que os produtos de degradação demorem mais para serem
excretados do corpo.
121
Na Tabela 3.1, estão indicados os principais efeitos adversos provocados pelo
uso de corantes sintéticos, assim como a origem e a aplicação dos mesmos na indústria
alimentícia.
Tabela 3.1 – Origem, aplicação e efeitos adversos de alguns dos corantes sintéticos
permitidos pela legislação brasileira.
114
CORANTE ORIGEM APLICAÇÃO EFEITOS ADVERSOS
Vermelho 40
Sintetizado
quimicamente
Alimentos à base de
cereais, balas,
laticínios, recheios,
sobremesas, xaropes
para refrescos,
refrigerantes, geléias.
Pode causar
hiperatividade em
crianças, eczema e
dificuldades respiratórias.
Ponceau 4R
Tinta do alcatrão
de carvão.
Frutas em caldas,
laticínios, xaropes de
bebidas, balas,
cereais, refrescos,
refrigerantes.
Deve ser evitado por
pessoas sensíveis à
aspirina e asmáticos. Pode
causar anemia e aumento
de incidência de
glomerulonefrite - doença
renal
Tartrazina
Tinta do alcatrão
de carvão
Laticínios, licores,
fermentados,
produtos de cereais,
frutas, iogurtes.
Reações alérgicas em
pessoas sensíveis à
aspirina e asmáticos.
Recentemente tem-se
sugerido que a tartrazina
em preparados de frutas
causa insônia em crianças.
Há relatos de afecção da
flora gastrointestinal.
97
3.1.1 Classificação dos corantes artificiais
Os corantes artificiais permitidos pela legislação brasileira podem ser divididos
nas seguintes classes:
116
Corantes Azo – Compreende a classe de compostos que apresentam a ligação (N=N).
Esta classe representa os corantes sintéticos mais utilizados em alimentos, sendo que
aproximadamente 50% dos corantes utilizados mundialmente pertencem ao grupo azo.
São eles: Amaranto, Ponceau 4R, Vermelho 40, Azorrubina, Tartrazina e Amarelo
Crepúsculo.
CORANTE ORIGEM APLICAÇÃO EFEITOS ADVERSOS
Amarelo
Crepúsculo
Sintetizado a
partir da tinta do
alcatrão de carvão
e tintas azóicas
Cereais, balas,
caramelos,
coberturas, xaropes,
laticínios, gomas de
mascar
Em algumas pessoas pode
causar alergia, produzindo
urticária, angiodema e
problemas gástricos
Azul
Brilhante
Sintetizado a
partir da tinta do
alcatrão de carvão
Laticínios, balas,
cereais, queijos,
recheios, gelatinas,
licores, refrescos
Pode causar
hiperatividade em
crianças, eczema e asma.
Deve ser evitado por
pessoas sensíveis às
purinas
Amaranto
Sintetizado a
partir do alcatrão
de carvão
Cereais, balas,
laticínios, geléias,
(sorvetes), recheios,
xaropes, preparados
líquidos.
Deve ser evitado por
pessoas sensíveis à
aspirina. Esse corante já
causou polêmica sobre
sua toxicidade em animais
de laboratório, sendo
proibido em vários paises.
Eritrosina
Tinta do alcatrão
de carvão.
Pós para gelatinas,
laticínios, refrescos,
geléias.
Pode ser fototóxico.
Contém 557 mg de iodo
por grama de produto.
Consumo excessivo pode
causar aumento de
hormônio tireoidano no
sangue em níveis para
ocasionar
hipertireoidismo.
Índigo
Carmim
Tinta do alcatrão
de carvão
Goma de mascar,
iogurte, balas,
caramelos, pós para
refrescos artificiais.
Pode causar náuseas,
vômitos, hipertensão e
ocasionalmente alergia e
problemas respiratórios.
98
Corantes Trifenilmetanos - Essa classe apresenta estrutura básica de três grupos arila,
em geral grupos fenólicos, ligados a um átomo de carbono central e apresentam, ainda,
grupos sulfônicos que lhes conferem alta solubilidade em água. Pertencem a essa classe
os corantes: Azul Brilhante, Verde Rápido e Azul Patente V.
Corantes Indigóides – O Índigo Carmim é o único representante desta classe.
Corantes Xantenos – A Eritrosina é o único corante dessa classe permitido no Brasil.
Existem estudos de uma possível associação com tumores da tireóide, pela provável
liberação de iodo no organismo, já que o mesmo contém 557 mg de iodo por grama de
produto.
O sistema cromóforo de alguns corantes alimentícios é apresentado em destaque
na Figura 3.1.
99
Figura 3.1: Estrutura química dos corantes alimentícios: amaranto, amarelo crepúsculo,
azul brilhante, eritrosina, índigo carmim, ponceau 4R, tartrazina e vermelho 40. O grupo
cromóforo destes corantes encontra-se em destaque.
3.1.2 Degradação dos corantes sintéticos
Atualmente, cerca de 7 x 10
5
toneladas de corantes são produzidas por ano em
todo o mundo.
122
Estima-se que deste total, cerca de 15% dos corantes produzidos são
perdidos durante os processos de síntese e manufaturação. Além disso, é conhecido que
alguns destes corantes podem causar doenças perigosas, além de causarem eutrofização
nos corpos d’água.
A toxicidade e a produção em massa de corantes torna necessário o tratamento
de efluentes descartados pelas indústrias que empregam tais aditivos. Corantes
Amarelo Crepúsculo
Amaranto
N
SO
3
[Na]
N
HO SO
3
[Na]
SO
3
[Na]
O
3
S[Na] N N
HO
SO
3
[Na]
Azul Brilhante
O
3
S[N
a]
H
2
C
N
C
2
H
5
SO
3
[Na]
N
+
C
2
H
5
CH
2
SO
3
[Na]
Eritrosina
I
O
I
O
COO[Na]
I
I
O
[Na]
Índigo Carmim
SO
3
[N a
]
N
O
N
O
SO
3
[N a]
H
H
Ponceau 4R
N
SO
3
[Na]
N
HO
SO
3
[Na]
SO
3
[Na]
Amarelo Crepúsculo
Amaranto
N
SO
3
[Na]
N
HO SO
3
[Na]
SO
3
[Na]
Amaranto
N
SO
3
[Na]
N
HO SO
3
[Na]
SO
3
[Na]
O
3
S[Na] N N
HO
SO
3
[Na]
Azul Brilhante
O
3
S[N
a]
H
2
C
N
C
2
H
5
SO
3
[Na]
N
+
C
2
H
5
CH
2
SO
3
[Na]
Azul Brilhante
O
3
S[N
a]
H
2
C
N
C
2
H
5
SO
3
[Na]
N
+
C
2
H
5
CH
2
SO
3
[Na]
Eritrosina
I
O
I
O
COO[Na]
I
I
O
[Na]
Eritrosina
I
O
I
O
COO[Na]
I
I
O
[Na]
Índigo Carmim
SO
3
[N a
]
N
O
N
O
SO
3
[N a]
H
H
Índigo Carmim
SO
3
[N a
]
N
O
N
O
SO
3
[N a]
H
H
Ponceau 4R
N
SO
3
[Na]
N
HO
SO
3
[Na]
SO
3
[Na]
Ponceau 4R
N
SO
3
[Na]
N
HO
SO
3
[Na]
SO
3
[Na]
O
3
S[Na] N N
N
N
HO
[Na]OOC
SO
3
[Na]
Tartrazina
N
SO
3
[Na]
N
HO
SO
3
[Na]
H
3
C
OCH
3
Vermelho 40
O
3
S[Na] N N
N
N
HO
[Na]OOC
SO
3
[Na]
Tartrazina
N
SO
3
[Na]
N
HO
SO
3
[Na]
H
3
C
OCH
3
Vermelho 40
100
provenientes da indústria têxtil e fotográfica são a principal fonte de contaminação
ambiental. Na China, cerca de 1,6 x 10
9
m
3
de resíduos contendo corantes, são jogados
no esgoto, por ano, sem tratamento prévio, diretamente nos rios.
123
A liberação de esgotos coloridos no ecossistema é uma fonte dramática de
poluição estética, eutrofisação e perturbação da vida aquática. Como os padrões
ambientais internacionais têm se tornado mais exigentes (ISO 14001 de outubro de
1996), sistemas tecnológicos para a remoção de poluentes orgânicos, tais como
corantes, têm sido recentemente desenvolvidos.
Vários métodos físicos, químicos e biológicos têm sido frequentemente
utilizados para o tratamento de efluentes, entretanto, os mesmos têm se mostrado
inadequados. Métodos físicos tais como a floculação, osmose reversa, filtração por
membrana e adsorção em carvão ativado não são destrutivos e apenas transferem os
poluentes para outro meio, causando poluições secundárias. Métodos químicos não são
economicamente viáveis, além de gerarem uma grande quantidade de lodo. Os
tratamentos biológicos convencionais usados para resíduos industriais e municipais não
são efetivos, pois muitos corantes apresentam resistência à degradação biológica.
133, 140
O tratamento biológico utilizando Issatchenkia occidentalis, para descoloração
redutiva, e Trametes villosa laccase, para descoloração oxidativa, foi usado no
tratamento de águas contaminadas por corantes. Tais tratamentos biológicos mostraram-
se capazes de descolorir lodo contaminado por corante, mas não levaram a sua completa
mineralização.
124
Assim como no tratamento biológico, grande parte dos métodos utilizados no
tratamento de resíduos provenientes de corantes, tem sido capaz de remover a cor
presente nos efluentes. A remoção da cor é devido a reações que transformam grupos
cromóforos em outros não cromóforos, mas isto não assegura a completa mineralização
da estrutura orgânica.
Tem sido reportado que alguns corantes são naturalmente descoloridos como
uma conseqüência da exposição prolongada à luz do sol, mas também neste caso a
perda da cor não significa completa mineralização. Para ambos os processos de
descoloração natural ou induzida, são necessários conhecimentos da composição dos
efluentes tratados e da natureza dos produtos de degradação intermediários.
125
Nas últimas duas décadas, os processos oxidativos avançados têm sido
utilizados na tentativa de se eliminar os compostos orgânicos do meio ambiente. Entre
os POAs, a fotocatálise heterogênea usando-se TiO
2
como catalisador aparece como
101
uma tecnologia emergente, que tem grande capacidade de destruir resíduos de corantes
em efluentes. O corante Metil Red (CI Acid Red 2) foi degradado sob irradiação UV
usando-se TiO
2
dopado com Ag
+
e TiO
2
não tratado. Houve remoção da cor de 85 e
99% da solução aquosa inicial de corante, utilizando-se TiO
2
e TiO
2
dopado com Ag
+
,
respectivamente. Medidas de TOC foram feitas para avaliar a degradação do corante e
foi verificado que a porcentagem de mineralização também foi maior no experimento
em que se utilizou o TiO
2
tratado.
112
Os corantes reativos Blue 8 e Blue 220 foram degradados por fotocatálise
(UV/TiO
2
/H
2
O
2
), estando o TiO
2
imobilizado em uma fina camada de filme, para
eliminar problemas posteriores de eliminação do catalisador.
126
A degradação do
corante Metil Orange também foi investigada utilizando-se TiO
2
em suspensão.
Verificou-se que não houve degradação do corante na ausência de luz e presença de
TiO
2
e vice-versa. Sob ação simultânea de TiO
2
e radiação UV, ocorreu a degradação do
composto.
127
Sete azo corantes, Orange G, Acid Orange 7, Ponceau 4R, Acid Black 1,
Tartrazina, Acid Yellow 17 e Cong Red, foram degradados fotocataliticamente usando-
se TiO
2
em suspensão e radiação ultra-violeta. Observou-se que a taxa de degradação
dos di-azo corantes foi menor que a dos mono-azo corantes. Os principais
intermediários foram identificados por HPLC, utilizando-se padrões de comparação. Os
produtos encontrados foram aminas aromáticas, compostos fenólicos e vários ácidos
orgânicos.
128,129
O compósito H
3
PW
12
O
40
/TiO
2
exibiu atividade fotocatalítica sob ação da luz
visível para a degradação de dez corantes. A aplicação do material preparado exibiu um
grande potencial para a degradação dos corantes, além de apresentar a vantagem de
utilizar apenas a luz solar. Os intermediários e produtos finais foram detectados por
espectrometria de massas com ionização electrospray (ESI) e cromatografia iônica
(IC).
130
A degradação fotocatalisada do corante catiônico rodamina-B foi examinada em
dispersão aquosa de TiO
2
, usando-se radiação UV-vis, assistida por radiação
microondas. As análises de carbono orgânico total mostraram que a eficiência na
mineralização do corante teve a seguinte ordem: degradação fotocatalítica acoplada a
microondas > degradação fotocatalítica > degradação por microondas. Os resultados
indicaram que a radiação microondas causou alterações no modo de adsorção do TiO
2
e,
102
conseqüentemente, no mecanismo global de degradação. Os intermediários foram
identificados por espectrometria de massas com ionização electrospray.
131
Três azo corantes sofreram efetiva descoloração quando submetidos ao sistema
UV/H
2
O
2
, entretanto a taxa de mineralização mostrou ser pequena e com um longo
período de irradiação. Os mesmos corantes, sob ação do sistema Foto-Fenton, sofreram
completa descoloração e grande mineralização em um pequeno intervalo de tempo. Foi
verificado que a concentração de H
2
O
2
controlou a eficiência da remoção da cor e TOC,
enquanto que a quantidade de Fe(II) teve a função de acelerar a remoção. Todavia, em
ambos os processos, o grande aumento da concentração de H
2
O
2
proporcionou a
diminuição da degradação devido ao efeito “scavenging” (excesso de radicais
hidroxila).
132
Em outro trabalho, novamente o sistema H
2
O
2
/UV mostrou-se eficiente na
degradação de corantes reativos azo. A eficiência do processo foi avaliada pelo TOC,
sendo encontradas taxas de mineralização de 58,5% para o corante Reactive Yellow 84,
52,9% para Red 120 e 81,6% para o corante Black 5.
133
A degradação do corante indigóide Acid Blue 74 também foi investigada
usando-se os sistemas UV/H
2
O
2
e UV/TiO
2
. Neste caso, o sistema UV/H
2
O
2
necessitou
de um tempo maior para a completa oxidação do corante, mas em ambos os sistemas, os
produtos detectados por técnicas como GC e NMR apresentaram ser ácidos alifáticos,
oxálico e fórmico.
134
Como pode ser visto, a degradação de muitos corantes já foi investigada. Porém,
em relação aos corantes utilizados na indústria alimentícia, pouco ainda se sabe sobre os
intermediários e produtos de degradação formados. Existem indícios de que ocorra a
formação de aminas aromáticas pela exposição desses corantes à luz natural. Entretanto,
tal hipótese deve ser melhor avaliada, uma vez que aminas aromáticas estão presentes
como impurezas em muitos padrões de corantes como, por exemplo, naftilamina no
Amaranto e anilina no Vermelho 40.
125
Estudos sobre a degradação oxidativa dos corantes usados em alimentos se
fazem necessários. Os corantes estão cada vez mais presentes na maioria dos alimentos
e a geração de efluentes industriais contendo esses compostos é cada vez maior. Face ao
exposto, o objetivo deste trabalho foi estudar a degradação de corantes usados na
indústria alimentícia, sob ação de diversos processos de oxidação. Além disso,
investigaram-se os produtos de degradação formados, bem como a toxicidade dos
mesmos em relação ao crustáceo Artemia salina.
103
3.2 Materiais e Métodos
3.2.1 Estudos de degradação dos corantes
Os corantes estudados foram: Vermelho 40, Tartrazina, Ponceau 4R, Amaranto,
Amarelo Crepúsculo, Azul Brilhante, Índigo Carmim e Eritrosina. Para cada corante,
foram realizadas reações de degradação usando-se os seguintes POAs: UV/H
2
O
2
,
ozonólise e NaClO.
As reações foram monitoradas por espectrofotometria Uv-vis, com celas de
absorbância de 1 cm. Para isso, foi utilizado o Espectrofotômetro Uv-vis Cary 50 Conc
(Varian) instalado no Departamento de Química da UFMG.
Inicialmente verificou-se em qual comprimento de onda ocorre a absorção
máxima de cada corante. Os valores de λ
máx,
bem como a concentração utilizada de cada
corante, encontram-se na Tabela 3.2. Estes comprimentos de onda foram monitorados
durante as reações de degradação.
Tabela 3.2 – Concentrações e valores de λ
máx
para os corantes estudados.
Corante
λ
λλ
λ
máx
/ nm
Concentração / mg L
-
1
Vermelho 40 502 30
Tartrazina 426 30
Ponceau 4R 505 30
Amaranto 523 20
Amarelo Crepúsculo 480 30
Azul Brilhante 629 15
Índigo Carmim 610 40
Eritrosina 526 30
Sistema UV/H
2
O
2
Para a realização destes experimentos, 20,0 mL das soluções de corantes, nas
concentrações listadas na Tabela 3.2, foram colocados em tubos de quartzo. A fim de se
alcançar 95% de remoção da cor da solução de cada corante, diversas reações com
concentrações diferentes de H
2
O
2
foram efetuadas. Tais resultados são descritos no item
3.3.
104
A radiação ultra-violeta foi obtida usando-se o reator UV descrito no Capítulo
2. Neste sistema, todas as soluções foram expostas à radiação ultra-violeta por 30
minutos.
Ozonólise
Nestes experimentos, 20,0 mL das soluções dos corantes, nas concentrações
listadas na Tabela 3.3, foram submetidos ao fluxo de ozônio de 1,5 x 10
-6
mols de
ozônio min
-1
até a completa descoloração.
A produção de ozônio foi obtida por meio de um fluxo contínuo de ar sintético
(pureza 99,999%) no ozonizador . Para se calcular o fluxo de ozônio utilizado em cada
reação, realizou-se a ozonização da solução de KI para posterior titulação com Na
2
S
2
O
3
,
conforme procedimento descrito no Capítulo 2.
NaClO
Os experimentos foram realizados em 20,0 mL das soluções de corantes, nas
concentrações listadas na Tabela 3.3. Para cada corante, foram realizadas diversas
reações com diferentes concentrações de NaClO, a fim de se alcançar 95% de remoção
da cor do corante. Tais resultados são descritos no item 3.3.
Como fonte de NaClO, utilizou-se o produto comercial “Água Sanitária”, com
concentração de 0,805 mol L
-1
.
3.2.3 Análises por espectrometria de massas com ionização electrospray
A espectrometria de massas com fonte de ionização electrospray foi utilizada
para se identificar os intermediários e produtos de degradação dos corantes utilizados na
indústria alimentícia.
Os extratos foram diluídos em uma solução contendo 70% (v/v) de metanol
(grau HPLC) e 30% (v/v) de água deionizada e ácido fórmico 0,1% (Merck) e
analisados por infusão direta na fonte de eletrospray (ESI) por meio do bombeamento
de uma seringa com fluxo de 10 µL min
-1
. Os espectros ESI-MS e ESI-MS/MS foram
adquiridos no modo negativo utilizando o espectrômetro de massas com analisador
tempo de vôo (QTof, Micromass), instalado na Universidade Estadual de Campinas. A
voltagem do capilar e do cone foram, respectivamente 3000 e 40 V, com temperatura de
solvatação de 100 ºC. Para os espectros ESI-MS/MS, a energia de colisão foi otimizada
para cada íon selecionado, variando de 15 a 50 eV.
105
3.2.4 Testes de ecotoxicidade
Para se avaliar a toxicidade dos corantes e seus produtos de degradação, testes
de ecotoxicidade à Artemia salina foram realizados. A montagem dos testes seguiu o
procedimento descrito por McLaughlin, Colman-Saizarbitoria e Anderson.
135
A descrição do procedimento realizado para obtenção das Artemias foi descrito
no item 2.2.8.
Foram analisadas soluções dos corantes Vermelho 40, Azul Brilhante, Índigo
Carmim e Eritrosina com concentrações iniciais de 120, 60, 160 e 120 mg L
-1
,
respectivamente. Além disso, avaliou-se também a toxicidade dos produtos de
degradação desses corantes. Para isso, 20,0 mL da solução de cada corante foram
submetidos à ozonização até a completa remoção da cor. Neste caso, a ozonólise foi
escolhida por se tratar de um método de oxidação que não deixa produtos residuais.
Três concentrações distintas de cada solução de corante foram analisadas nos
testes de ecotoxicidade. Para cada bio-ensaio foram utilizados 12 frascos, referentes a 3
concentrações feitas em triplicata e 3 frascos como controle. Tendo em vista que o
volume final em cada frasco seria 5,00 mL e necessitando fazer diluições de 50, 25 e
10% das soluções em estudo (3 concentrações), foram pipetados 2,50, 1,25 e 0,50 mL,
respectivamente, destas soluções e colocados em frascos. Finalmente, a cada frasco
foram adicionadas 10 Artemias salinas e o volume completado para 5,00 mL com
solução de sal marinho.
Uma vez montado o experimento, os frascos, incubados com as Artemias, foram
deixados em repouso e novamente iluminados pela lâmpada fixada ao suporte por um
período de 24 horas. Cessado este tempo, as Artemias salinas foram avaliadas, sendo
contado o número de crustáceos mortos e sobreviventes.
3.3 Resultados e Discussão
Diferentes processos oxidativos avançados foram utilizados na degradação de
oito corantes alimentícios em solução aquosa: Vermelho 40, Tartrazina, Amarelo
Crepúsculo, Amaranto, Ponceau 4R, Eritrosina, Índigo Carmim e Azul Brilhante. A
degradação desses corantes foi acompanhada por meio de medidas em um
espectrofotômetro UV-Vis, entre 200-800 nm.
106
3.3.1 Degradação dos corantes Azo: Ponceau 4R, Vermelho 40, Tartrazina,
Amaranto e Amarelo Crepúsculo.
Degradação do corante Ponceau 4R
Vários processos de oxidação foram utilizados na degradação da solução do
corante Ponceau 4R (30 mg L
-1
). Foram empregadas diferentes concentrações de
H
2
O
2
na presença
de radiação UV e NaClO para se obter uma remoção 95% da cor
da solução num intervalo de 30 min.
Tomando-se como base os valores de absorbância inicial e final, obteve-se a
porcentagem de degradação do corante para cada processo, como apresentado na
Figura 3.2.
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
20
40
60
80
100
Porcentagem de degradação (%)
Figura 3.2 - Porcentagem de degradação do Ponceau 4R em diferentes processos de
oxidação.
Verificou-se que no sistema UV/H
2
O
2
, as concentrações de H
2
O
2
0,20 mol L
-1
e
0,10 mol L
-1
removeram 95% e 88% da cor da solução, respectivamente, num intervalo
de 30 minutos. Para os sistemas que utilizaram NaClO, observou-se que o NaClO com
concentração 0,05 mol L
-1
conseguiu alcançar uma remoção de 95% da cor. O uso do
ultra-som proporcionou uma considerável degradação do Ponceau 4R, cerca de 65%. Já
em relação ao ozônio, um fluxo de 1,15 x 10
-6
mols de ozônio min
-1
eliminou
aproximadamente 92% da cor da solução em 10 minutos. Apenas os sistemas UV e
H
2
O
2
isolados não se mostraram muito eficientes na degradação do corante. Do mesmo
modo, foi possível verificar que o processo UV/H
2
O
2
(0,20 mol L
-1
) também promoveu
1-UV (30 min)
2-US (30 min)
3-UV + H
2
O
2
0,10 mol L
-1
(30 min)
4-UV + H
2
O
2
0,20 mol L
-1
(30 min)
5-H
2
O
2
0,20 mol L
-1
(30 min)
6-NaClO 0,04 mol L
-1
(30 min)
7-NaClO 0,05 mol L
-1
(30 min)
8-O
3
(10 min)
107
uma excelente remoção da cor da solução; entretanto, a reação com peróxido de
hidrogênio puro proporcionou uma pequena degradação do corante, enquanto que o
sistema UV isolado não causou nenhuma alteração na concentração do Amaranto.
Resultado semelhante foi encontrado por Tariq e colaboradores
136
ao submeterem uma
solução aquosa de Amaranto à luz UV por 75 minutos e não observarem mudanças em
sua concentração. Em outro trabalho, este mesmo sistema, UV/H
2
O
2
, foi utilizado para a
degradação do Amaranto.
137
Os autores testaram diversas concentrações de peróxido e
observaram dois principais eventos. O primeiro sugere que quanto maior a
concentração de peróxido, mais radicais hidroxila estão disponíveis para atacar o
substrato. A fração de luz absorvida por H
2
O
2
aumenta, e consequentemente, a taxa de
reação aumenta. Por outro lado, no segundo evento, os autores verificaram que quando
H
2
O
2
é usado em excesso, radicais hidroxila reagem eficientemente com H
2
O
2
e
produzem HO
2
-
, além de dimerizarem novamente em H
2
O
2
. Portanto, os autores
concluíram que existe uma concentração crítica de H
2
O
2
no processo UV/H
2
O
2
, na qual
a taxa de fotooxidação é maximizada.
A Figura 3.3 ilustra as soluções do Ponceau 4R antes e após o tratamento com
O
3
, UV/H
2
O
2
0,20 mol L
-1
e NaClO 0,05 mol L
-1
. Uma grande remoção da cor pôde ser
facilmente observada.
Figura 3.3 – 1) Solução do corante Ponceau 4R. 2) Solução do Ponceau 4R após 30 min
de reação com NaClO 0,05 mol L
-1
. 3) Solução do Ponceau 4R após 30 min de reação
com UV/H
2
O
2
0,20 mol L
-1
. 4) Solução do Vermelho 40 após 10 min de reação com
O
3.
A degradação do Ponceau 4R em função do tempo foi averiguada. Para isso
foram utilizados os processos UV/H
2
O
2
e NaClO nas melhores concentrações
selecionadas de cada sistema, UV/H
2
O
2
0,20 mol L
-1
e NaClO 0,05 mol L
-1
. Notou-se
1
2
3
4
108
que NaClO agiu mais rapidamente sobre o Ponceau 4R, removendo praticamente toda a
cor da solução em 10 min. Já no outro sistema avaliado, a remoção da cor foi um pouco
mais lenta, como pode ser visto na Figura 3.4.
Figura 3.4 - Degradação do Ponceau 4R utilizando os sistemas NaClO (0,05 mol L
-1
) e
UV/H
2
O
2
(0,20 mol L
-1
) em função do tempo.
A oxidação química de oito corantes azo, incluindo o Ponceau 4R também foi
estudada por Huang e colaboradores.
138
Os autores testaram diferentes processos de
oxidação e observaram a seguinte ordem de eficiência para a descoloração destes
corantes: UV/O
3
> O
3
> UV/H
2
O
2
> UV > H
2
O
2
. Entretanto, eles verificaram que a
radiação UV não aumentou significativamente a capacidade de degradação da reação de
ozonização. O ozônio pode ser fotodecomposto em radicais hidroxila e aumentar a
degradação das espécies orgânicas em solução. Mas, nesse caso, os autores observaram
que a radiação UV foi altamente absorvida pelos corantes azo e uma quantidade muito
limitada de radicais hidroxila pôde ser produzida a partir da decomposição do ozônio.
Portanto, o processo de ozonólise dos corantes azo ocorreu via adição eletrofílica,
havendo oxidação direta das moléculas orgânicas presentes em solução.
Outro trabalho relata a degradação fotocatalítica do Ponceau 4R usando TiO
2
e
radiação ultra-violeta. Foi observado que não houve degradação do corante sob
irradiação UV na ausência de TiO
2
e vice-versa. Entretanto, verificou-se descoloração
do Ponceau 4R quando ambos foram usados simultaneamente. Os intermediários de
reação foram identificados por HPLC e foram encontradas aminas aromáticas,
compostos fenólicos e vários ácidos orgânicos.
128
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 5 10 15 20 25 30
Tempo de reação (min)
Abs (normalizadas)
NaClO
UV/H2O2
109
Degradação dos corantes Vermelho 40, Tartrazina, Amaranto e Amarelo
Crepúsculo.
A degradação dos corantes Vermelho 40, Tartrazina, Amaranto e Amarelo
Crepúsculo foi realizada utilizando-se os sistemas UV, UV/H
2
O
2
, NaClO e O
3
. O tempo
de reação, bem como a porcentagem de degradação obtida para estes corantes foram
semelhantes aos resultados obtidos para o corante Ponceau 4R. Para todos os corantes,
os melhores sistemas oxidativos foram o O
3
, o NaClO e a radiação UV combinada com
H
2
O
2
. A fim de se obter uma remoção de ao menos 95% da cor das soluções dos
corantes, pequenas variações nas concentrações de NaClO (0,03 a 0,05 mol L
-1
) e H
2
O
2
(0,1 a 0,3 mol L
-1
para o sistema UV/H
2
O
2
) foram necessárias.
3.3.2 Degradação do corante Índigo Carmim
Diversos estudos têm sido realizados na tentativa de degradar o corante Índigo
Carmim. Zainal e colaboradores
139
estudaram a degradação deste corante indigóide
usando TiO
2
imobilizado em tubo de quartzo iluminado por lâmpadas fluorescentes. A
partir dos resultados de TOC, foi verificada a mineralização de 83% da solução após
270 minutos de fotodegradação. A degradação do índigo Carmim utilizando TiO
2
P25
Degussa como catalisador também tem sido estudada.
140
Neste caso, os autores
verificaram que ocorreu uma boa descoloração da solução do composto usando-se
radiação UV proveniente do sol, o que sugere a construção de um fotoreator solar para
remediação de efluentes contaminados em regiões em que uma grande quantidade de
energia solar é disponível. Gemeay e colaboradores
141
investigaram a degradação deste
corante sob ação de peróxido de hidrogênio catalisado por complexos de metais de
transição. Os autores observaram que, além da remoção da cor, a oxidação catalítica
proporcionou a quase completa mineralização do composto. A atividade catalítica dos
complexos dependeu de certos fatores, como potencial redox dos íons metálicos, dos
ligantes e da quantidade de complexos. Apesar de ser um processo trabalhoso, os
resultados sugeriram que essa reação catalítica heterogênea pode ser viável como
método de tratamento de águas contaminadas por corantes.
Todavia, neste trabalho foram estudados processos de oxidação diferentes
daqueles publicados anteriormente. Dessa forma, foram investigados métodos como
a ozonólise, a energia ultrasônica, o tratamento por NaClO e a combinação de
UV/H
2
O
2
. Assim, para a realização deste experimento de degradação, soluções do
110
Índigo Carmim com concentração de 40 mg L
-1
foram submetidas à ação desses
POAs. Para os sistemas UV/H
2
O
2
e NaClO, foram testadas diferentes concentrações
de H
2
O
2
e NaClO, a fim de se alcançar 95% de remoção da cor da solução do
corante. Os processos de oxidação usados, bem como as porcentagens de remoção da
cor do corante são mostrados na Figura 3.5.
Figura 3.5 - Porcentagem de degradação do Índigo Carmim em diferentes processos de
oxidação.
Observou-se que o processo UV empregado isoladamente não alterou a
concentração do corante e que os sistemas H
2
O
2
e
US puros promoveram apenas uma
pequena remoção da cor da solução do Índigo Carmim. Diferentemente do que ocorreu
com a classe dos corantes azo, o ultra-som não foi muito eficaz na degradação do
corante Índigo Carmim. Este comportamento pode ser explicado devido ao fato das
ligações N=N presentes no grupo cromóforo dos corantes azo ser mais facilmente
rompida pela energia gerada no processo de cavitação do que as ligações C=C presentes
nas outras classes de corantes.
Os processos UV/H
2
O
2
(0,30 mol L
-1
), NaClO (0,02 mol L
-1
) e O
3
foram muito
eficientes na degradação do corante, exibindo remoção de 100% da cor. Para obtenção
dessa porcentagem de descoloração, utilizou-se o ozônio com fluxo de 1,15 x 10
-6
mols
de ozônio min
-1
por um período de apenas 2 minutos, podendo-se inferir que o ozônio é
um potente agente oxidante para esse corante.
1-UV (30 min)
2-US (30 min)
3-UV + H
2
O
2
0,10 mol L
-1
(30 min)
4-UV + H
2
O
2
0,20 mol L
-1
(30 min)
5-UV + H
2
O
2
0,30 mol L
-1
(30 min)
6-H
2
O
2
0,30 mol L
-1
(30 min)
7-NaClO 0,01 mol L
-1
(30 min)
8-NaClO 0,02 mol L
-1
(30 min)
9-O
3
(2 min)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0
20
40
60
80
100
Porcentagem de degradação (%)
111
Pode-se visualizar na Figura 3.6 a descoloração das soluções de Índigo Carmim
obtida após tratamento com O
3
, UV/H
2
O
2
0,30 mol L
-1
e NaClO 0,02 mol L
-1
.
Figura 3.6 – 1) Solução do corante Índigo Carmim 2) Solução do Índigo Carmim após
30 min de reação com NaClO 0,02 mol L
-1
. 3) Solução do Índigo Carmim após 30 min
de reação com UV/H
2
O
2
0,30 mol L
-1
. 4) Solução do Índigo Carmim após 2 min de
reação com O
3
.
As Figuras 3.7 e 3.8 mostram os resultados obtidos nos estudos de remoção da
cor para o corante Índigo Carmim na presença de, respectivamente, NaClO (0,02
mol L
-1
) e UV/H
2
O
2
(0,30 mol L
-1
), em função do tempo. Verificou-se que em 3
minutos de reação, ocorreu a total remoção da cor da solução usando-se o sistema
NaClO. Entretanto, somente em 30 minutos de reação com o sistema UV/H
2
O
2
foi
obtido total descoloração da solução. Dessa forma observou-se que, além da ozonólise,
o processo NaClO também é muito eficiente e rápido na degradação deste corante.
1
2
3
4
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 2 4 6 8 10
Tempo de reação (min)
Abs (normalizadas)
NaClO
Tempo de reação / min
112
Figura 3.7 - Degradação do Índigo Carmim utilizando o sistema NaClO (0,02 mol L
-1
)
em função do tempo.
Figura 3.8 - Degradação do Índigo Carmim utilizando o sistema UV/H
2
O
2
(0,30 mol
L
-1
) em função do tempo.
3.3.3 Degradação do corante Azul Brilhante
Utilizou-se diferentes sistemas de oxidação na degradação da solução do corante
Azul Brilhante (15 mg L
-1
). Objetivando proporcionar uma completa descoloração do
corante em 30 minutos, várias concentrações de H
2
O
2
e NaClO foram usadas. Sabendo-
se que na faixa de concentração estudada a resposta é linear e tendo em mãos as
medidas de absorções inicial e final de cada reação, foi possível fazer uma comparação
das quantidades degradadas em cada processo, como apresentado na Figura 3.9.
Observou-se que os processos UV/H
2
O
2
(0,05 mol L
-1
), NaClO (0,20 mol L
-1
) e
a ozonólise (1,25 x 10
-6
mols de ozônio min
-1
) promoveram uma excelente remoção da
cor da solução. A reação com peróxido de hidrogênio puro proporcionou uma pequena
degradação do corante, enquanto que o sistema UV isolado não causou nenhuma
alteração na concentração do Azul Brilhante. Pôde ser verificado que entre todos os
sistemas utilizados, a ozonólise foi o processo de oxidação mais rápido para este corante
(remoção da cor da solução em apenas 5 minutos, Figura 3.11).
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 5 10 15 20 25 30
Abs (normalizadas)
UV/H2O2
Tempo de reação / min
113
Figura 3.9 - Porcentagem de degradação do Azul Brilhante em diferentes processos de
oxidação.
A Figura 3.10 exibe as fotos das soluções do corante Azul Brilhante após
tratamento com O
3
, UV/H
2
O
2
0,05 mol L
-1
e NaClO 0,20 mol L
-1
. Pôde ser verificado
que houve uma boa descoloração em relação à solução inicial de corante.
Figura 3.10 – 1) Solução do corante Azul Brilhante 2) Solução do Azul Brilhante após
30 min de reação com NaClO 0,20 mol L
-1
. 3) Solução do Azul Brilhante após 30 min
de reação com UV/H
2
O
2
0,05 mol L
-1
. 4) Solução do Azul Brilhante após 5 min de
reação com O
3
.
A degradação do Azul Brilhante em função do tempo também foi estudada. Os
processos utilizados neste caso foram NaClO (0,20 mol L
-1
) e UV/H
2
O
2
(0,05 mol L
-1
),
como apresentado na Figura 3.11. Verificou-se que para este corante, a reação de
1
2
3
4
1-UV (30 min)
2-UV + H
2
O
2
0,05 mol L
-1
(30 min)
3-UV + H
2
O
2
0,10 mol L
-1
(30 min)
4-UV + H
2
O
2
0,20 mol L
-1
(30 min)
5-H
2
O
2
0,10 mol L
-1
(30 min)
6-NaClO 0,05 mol L
-1
(30 min)
7-NaClO 0,10 mol L
-1
(30 min)
8-NaClO 0,20 mol L
-1
(30 min)
9-NaClO 0,30 mol L
-1
(30 min)
10-O
3
(5 min)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
20
40
60
80
100
Porcentagem de degradação (%)
114
descoloração foi mais rápida utilizando o sistema UV/H
2
O
2
que o sistema NaClO,
ocorrendo a remoção total da cor da solução em 25 e 30 minutos, respectivamente.
Figura 3.11 - Degradação do Azul Brilhante utilizando os sistemas NaClO (0,20 mol
L
-1
) e UV/H
2
O
2
(0,05 mol L
-1
) em função do tempo.
No trabalho de Gosetti e colaboradores
125
, a degradação do Azul Brilhante foi
estudada em condições oxidantes obtidas pela adição de persulfato de potássio em
diferentes razões molares persulfato/corante sob ação da luz natural. Devido à baixa
volatilidade e a pequena estabilidade térmica deste corante, a cromatografia líquida em
fase reversa associada à espectrometria de massas foi empregada para estudar a cinética
de degradação e identificar alguns intermediários e produtos da reação. A identificação
das espécies orgânicas presentes e o valor de COD (demanda química de oxigênio)
obtido nestas condições evidenciaram que a completa descoloração do corante não
correspondia à sua completa mineralização. O mecanismo de degradação do Azul
Brilhante passa pela formação de espécies coloridas azul escuras para em seguida
formar espécies sem cor. Os resultados por ESI mostraram a formação de dois
intermediários principais, de razões m/z 763 e 453, como mostra a Figura 3.12. A
estrutura de m/z 763 corresponde a uma reação de adição eletrofílica, ocorrendo a
hidroxilação de um anel aromático do composto. O intermediário de m/z 453
corresponde à perda de um grupo metil da cadeia, de dois radicais SO
2
dos grupos
sulfatos e de um fragmento da molécula ligado ao grupo amino. Sugeriu-se que neste
composto, o radical OH encontra-se ligado ao átomo de carbono central da molécula. A
ausência do efeito de ressonância para esta estrutura está de acordo com a ausência de
cor na região UV-vis. Até o momento, nenhuma informação sobre a toxicidade dos
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 5 10 15 20 25 30
Tempo de reação (min)
Abs (normalizadas)
NaClO
UV/H2O2
Tempo de reação / min
115
produtos formados está disponível, apesar da formação posterior de aminas aromáticas
ser uma possibilidade.
Figura 3.12 – Rota de degradação do Azul Brilhante na presença de persulfato de
potássio.
125
116
3.3.4 Degradação do corante Eritrosina
Os sistemas oxidativos UV, H
2
O
2
, UV/H
2
O
2
, NaClO e O
3
foram utilizados na
degradação da solução do corante Eritrosina, com concentração inicial de 30 mg L
-1
.
Utilizou-se diferentes concentrações de H
2
O
2
e NaClO, a fim de se obter uma boa
descoloração do corante no intervalo de 30 min.
A porcentagem de degradação do corante para cada processo utilizado é
apresentada na Figura 3.13.
Pôde-se observar que este corante apresentou resistência aos processos de
oxidação utilizados neste trabalho, com exceção da ozonólise, que alcançou 100% de
remoção da cor num período de 20 minutos de reação com fluxo de 1,05 x 10
-6
mols de
ozônio min
-1
.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0
20
40
60
80
100
Porcentagem de degradação (%)
Figura 3.13 - Porcentagem de degradação da Eritrosina em diferentes processos de
oxidação.
Verificou-se que os sistemas UV e H
2
O
2
isolados degradaram uma pequena
porcentagem deste corante. Também foi observada uma grande variação na taxa de
degradação deste corante quando foi utilizado o processo UV/H
2
O
2
, com diferentes
concentrações de H
2
O
2
. Das concentrações testadas, verificou-se que a maior
porcentagem de descoloração ocorreu quando foi utilizado o processo UV/H
2
O
2
(0,200
mol L
-1
), correspondendo a 85% de remoção da cor da solução. Como pôde ser
verificado, concentrações de H
2
O
2
maiores que 0,200 mol L
-1
proporcionaram menor
1-UV (30min)
2-UV + H
2
O
2
0,100 mol L
-1
(30min)
3-UV + H
2
O
2
0,200 mol L
-1
(30min)
4-UV + H
2
O
2
0,300 mol L
-1
(30min)
5-UV + H
2
O
2
0,500 mol L
-1
(30min)
6-H
2
O
2
0,200 mol L
-1
(30min)
7-NaClO 0,500 mol L
-1
(30min)
8-NaClO 0,808 mol L
-1
(30min)
9-O
3
(20 min)
117
taxa de degradação nos sistemas UV/H
2
O
2
estudados. Provavelmente, para estes
sistemas, o peróxido de hidrogênio foi utilizado em excesso. Como é conhecido, quando
H
2
O
2
é usado em excesso, radicais hidroxila reagem eficientemente com H
2
O
2
e
produzem HO
2
-
. Além disso, radicais hidroxila gerados em altas concentrações
dimerizam para H
2
O
2
.
137
Consequentemente há uma concentração crítica de H
2
O
2
para a
remoção da Eritrosina no processo UV/H
2
O
2
. Nesta concentração favorável (neste caso
UV/H
2
O
2
0,200 mol L
-1
), a taxa de degradação foi maximizada. Resultados semelhantes
foram encontrados por Daneshvar e colaboradores para o corante Amaranto.
137
Além disso, pôde-se constatar que o NaClO comercial, de concentração igual a
0,805 mol/L, conseguiu descolorir apenas 75% da cor da solução, mostrando ser um
sistema inviável, devido à alta concentração utilizada e remoção parcial da cor.
À seguir é apresentada a foto que ilustra a degradação da Eritrosina pela ação de
diferentes processos de oxidação (Figura 3.14).
Figura 3.14 – 1) Solução do corante Eritrosina 2) Solução do Eritrosina após 30 min de
reação com NaClO 0,805 mol L
-1
. 3) Solução da Eritrosina após 30 min de reação com
UV/H
2
O
2
0,200 mol L
-1
4) Solução da Eritrosina após 20 min de reação com O
3
.
A degradação do corante Eritrosina em função do tempo foi pesquisada
utilizando-se apenas o processo UV/H
2
O
2
(0,200 mol L
-1
). Observou-se que a
degradação do corante mostrou-se mais lenta no ínicio da reação e que houve uma
pequena aceleração da taxa de degradação no intervalo entre 25 e 30 minutos, como
pode ser verificado na Figura 3.15.
1
2
3
4
118
Figura 3.15 - Degradação da Eritrosina utilizando o sistema UV/H
2
O
2
(0,200 mol L
-1
)
em função do tempo.
A degradação da Eritrosina sob ação de outros processos de oxidação também
foi estudada. Zhang e colaboradores investigaram a degradação deste corante usando o
sistema TiO
2
/luz visível.
123
Neste caso, os autores observaram que os picos de absorção
da Eritrosina no espectro decresceram com o aumento do tempo de irradiação. As
bandas de absorção desaparecem depois de 2 horas de exposição à luz visível,
entretanto, um novo pico com λ
max
= 215,5 nm foi formado. Uma solução aquosa de
Eritrosina também foi irradiada na ausência de TiO
2
. Os resultados indicaram que a
degradação do corante foi bem menor do que a obtida na presença de TiO
2
. Em outro
experimento, verificou-se que não ocorreu degradação do corante quando uma dispersão
aquosa de Eritrosina/TiO
2
foi agitada sem exposição à luz. Nesse caso, como não
houve absorção de luz pelo substrato orgânico ou pelo TiO
2
, não ocorreu a injeção de
uma carga elétrica para a banda de condução do semicondutor e, dessa forma, não
houve a degradação do corante. A formação de CO
2
nas reações com e sem TiO
2
foi
avaliada após 24 horas de irradiação. Observou-se a conversão de 28,1 e 8,0% da
Eritrosina em CO
2
nas soluções com e sem TiO
2
, respectivamente.
3.3.5 Análise de Carbono Orgânico Total
Foram realizadas análises de carbono orgânico total para as soluções dos
corantes Ponceau 4R, Índigo Carmim, Azul Brilhante e Eritrosina submetidos aos
processos oxidativos NaClO, O
3
e UV/H
2
O
2
em suas melhores condições (remoção de
cerca de 95% da cor das soluções dos corantes). No entanto, os resultados de TOC
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 5 10 15 20 25 30
Tempo de reação (min)
Abs (normalizadas)
UV/H2O2
Tempo de reação / min
119
evidenciaram que não houve perda de carbono orgânico das soluções, indicando que o
processo de mineralização não ocorre e que provavelmente estes corantes se convertem
em outras substâncias.
3.3.6 Análises por Espectrometria de Massas com Ionização Electrospray (ESI-
MS)
Como previamente mencionado para o caso do Thiamethoxam, a técnica ESI-
MS foi utilizada com o objetivo de se detectar possíveis produtos formados na oxidação
dos corantes e, conseqüentemente, obter informações relacionadas ao mecanismo de
degradação. Dois processos oxidativos foram avaliados (O
3
e NaClO) na degradação de
dois corantes: Índigo Carmim e Ponceau 4R, cujas estruturas químicas (formas
aniônicas) são mostradas no Esquema 3.1. Nas condições ESI, os ânions em solução
aquosa (1, 2 e seus produtos de degradação) são transferidos diretamente para a fase
gasosa (fonte de ionização) e, posteriormente, detectados pelo espectrômetro de massas.
Nestas condições, não ocorre a fragmentação de tais espécies e, portanto, a distribuição
dos íons observada nos espectros de massas ESI(-) refletem a composição dos ânions
em solução.
N
H
O
N
O
H
SO
3
-
-
O
3
S
Índigo Carmim (1)
N N
-
O
3
S
HO
-
O
3
S
SO
3
-
Ponceau 4R (2)
Esquema 3.1 – Estrutura dos corantes Índigo Carmim e Ponceau 4R (formas aniônicas 1
e 2, respectivamente).
3.3.5.1. – Índigo Carmim
3.3.5.1.1 – Tratamento com O
3
120
Como foi verificado, o tratamento com O
3
promoveu uma rápida degradação
para este corante; após 10 minutos de borbulhamento de ozônio, a solução aquosa de
Índigo Carmin apresentou uma completa descoloração. Após este tempo, uma alíquota
foi retirada e analisada por espectrometria de massas com ionização electrospray no
modo negativo, ESI(-)-MS. Espectros de fragmentação de íons precursores, ESI(-)-
MS/MS, também foram obtidos para os íons de interesse com o intuito de se obter
informação a respeito de suas estruturas químicas.
O ESI(-)-MS de uma solução aquosa de Índigo Carmim mostra a presença
predominante do ânion 1 (forma aniônica do Índigo Carmim), de m/z 210 (Figura 3.16).
Figura 3.16 – ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante Índigo Carmim, onde se
observa a presença predominante do ânion 1.
A seleção por massas e fragmentação do ânion 1 (m/z 210) mostrou as presenças
dos seguintes íons: m/z 356, 340, 276, 260, 236, 170, 156, 80. Note a formação de
fragmentos com razões m/z maiores que a m/z do íon precursor: isso ocorre porque tais
íons, diferentemente do íon precursor, possuem apenas uma carga negativa. Tal espectro
é mostrado na Figura 3.17.
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
210
Abundância Relativa
m/z
1
/ %
121
Figura 3.17 – ESI(-)-MS/MS para o ânion 1 de m/z 210.
Após 10 minutos de borbulhamento com ozônio detectou-se, no ESI(-)-MS, o
surgimento de sinais de m/z 266, 244, 216, 171, 121.5, 107.5 (Figura 3.18).
Figura 3.18 – ESI(-)-MS da solução aquosa de Índigo Carmim tratada com ozônio por
10 minutos.
Baseados nos resultados dos valores de m/z de tais íons, uma rota para a
degradação do Índigo Carmim foi proposta, a qual é mostrada no Esquema 3.2. As
fragmentações por CID (collision-induced dissociation) de tais íons corroboraram as
estruturas propostas, como será posteriormente demonstrado.
50 100 150 200 250 300 350 400
0
20
40
60
80
100
80
156
170
236
260
276
356
340
210
Abundância Relativa
m/z
210
/ %
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
107,5
121,5
266
244
216
171
Abundância Relativa
m/z
-
O
3
S
NH
2
O
OH
O
-
O
3
S
NH
2
OH
O
1b
1c
[1b – H + Na]-
[1b –H]
2-
[1c – H]
2-
Fragmentação
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
107,5
121,5
266
244
216
171
Abundância Relativa
m/z
-
O
3
S
NH
2
O
OH
O
-
O
3
S
NH
2
OH
O
1b
1c
[1b – H + Na]-
[1b –H]
2-
[1c – H]
2-
Fragmentação
/ %
122
não detectado
N
H
O
-
O
3
S
O
O
O
N
H
O
intermediário ozonídeo (m/z 234)
N
H
O
N
O
H
SO
3
-
-
O
3
S
O
3
1 (m/z 210)
1a m/z 226 (não detectado)
N
H
O
-
O
3
S
O
H
2
O
1b m/z 244
-
O
3
S
NH
2
O
OH
O
- CO
1c m/z 216
-
O
3
S
NH
2
OH
O
intermediário ozonídeo (m/z 234)
não detectado
N
H
O
-
O
3
S
O
O
N
H
O
O
Esquema 3.2- Rota proposta para a degradação do Índigo Carmim por O
3
em solução
aquosa.
Esta rota proposta envolve, inicialmente, um ataque eletrofílico de uma molécula
de ozônio sobre a dupla ligação carbono-carbono exocíclica de 1 gerando um
intermediário ozonídeo instável (de m/z 234), o qual não foi detectado no ESI(-)-MS
(Figura 3.18). A formação deste intermediário, onde o extenso sistema de elétrons π
conjugados foi rompido, explica a rápida descoloração da solução de Índigo Carmim
observada durante o tratamento com O
3
. A partir deste intermediário, propõe-se a
formação do produto dicarbonilado 1a de m/z 226, o qual também não foi detectado no
ESI(-)-MS (Figura 3.18). Em seqüência, a ânion 1b de m/z 244 é sugerido ser formado
pelo ataque nucleofílico de uma molécula de água e consequente abertura do anel
indólico de 1a. Finalmente, a perda de CO de 1b leva à formação do ânion 1c de m/z
216.
Os ânions de m/z 266, 171, 121.5 e 107.5 também foram detectados na Figura
3.18, mas não correspondem a outros produtos. Os mesmos são derivados de 1b ou 1c
123
ou correspondem a um fragmento de um outro ânion precursor. Deste modo, o ânion de
m/z 266 é formado pela substituição de H
+
por Na
+
em 1b, i. e. [1b – H + Na]
-
. O ânion
de m/z 121.5 é devido a presença da espécie [1b –H]
2-
(com duas cargas negativas)
formada pela perda de H
+
do grupamento ácido carboxílico de 1b. Analogamente, o
ânion de m/z 107.5 (contendo duas cargas negativas) corresponde a [1c – H]
2-
, também
formado pela perda de H
+
do grupamento ácido carboxílico de 1c. Finalmente, o ânion
de m/z 171 é formado a partir da fragmentação dos íons de m/z 266, 121,5 e 107,5,
como será mostrado posteriormente neste documento.
Para a confirmação das estruturas propostas para os produtos de oxidação de 1,
obteve-se os espectros de fragmentação dos ânions de m/z 244 e m/z 216. A seleção por
massas e fragmentação por CID (collision-induced dissociation) do ânion de m/z 244
(Figura 3.19) gerou uma série de íons produto, tais como: 200 (perda de CO
2
), 172
(perda de CO
2
+ CO), 136 (perda de CO
2
+ SO
2
), 120 (perda de CO
2
+ SO
3
), 92 (perda
de CO
2
+ CO + SO
3
) e 80 (•SO
3
-
). O ESI(-)-MS/MS do ânion de m/z 216 (Figura 3.20)
mostra a presença dos fragmentos de m/z 198 (perda de H
2
O), 172 (perda de CO
2
), 170
(perda de CO
2
+ H
2
ou HCOOH), 136 (perda de SO
3
) e 80 (•SO
3
-
). Note que as
fragmentações observadas para os ânions de m/z 244 e m/z 216 estão plenamente
consistentes com as estruturas 1b e 1c propostas para tais ânions, respectivamente.
Figura 3.19 - ESI(-)-MS/MS para o ânion de m/z 244 cuja estrutura proposta (1b) é
representada no Esquema 3.2.
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
92
80
120
136
172
200
244
Abundância Relativa
m/z
-CO
2
-CO
2
+ CO
-CO
2
+ SO
2
-CO
2
+ SO
3
[•SO
3
-
]
1b
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
92
80
120
136
172
200
244
Abundância Relativa
m/z
-CO
2
-CO
2
+ CO
-CO
2
+ SO
2
-CO
2
+ SO
3
[•SO
3
-
]
1b
-CO
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
92
80
120
136
172
200
244
Abundância Relativa
m/z
-CO
2
-CO
2
+ CO
-CO
2
+ SO
2
-CO
2
+ SO
3
[•SO
3
-
]
1b
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
92
80
120
136
172
200
244
Abundância Relativa
m/z
-CO
2
-CO
2
+ CO
-CO
2
+ SO
2
-CO
2
+ SO
3
[•SO
3
-
]
1b
-CO
/ %
124
Figura 3.20 - ESI(-)-MS/MS para o ânion de m/z 216 cuja estrutura proposta (1c) é
representada no Esquema 3.2.
As fragmentações dos ânions de m/z 266, 121,5 e 107,5 são mostradas nas
Figuras 3.21, 3.22 e 3.23, respectivamente, onde se ilustra a estrutura proposta para o
ânion de m/z 171. Note que a fragmentação dos ânions [1b – H]
2-
(m/z 121.5) e [1c –
H]
2-
(m/z 107.5) gera, caracteristicamente, íons-produto com cargas unitárias e,
conseqüentemente, com m/z maiores que os respectivos íons precursores.
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
171
194
266
Abundância Relativa
m/z
-
O
3
S
NH
2
•
-CO
2
, -CO
-•COONa; -CO
266
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
171
194
266
Abundância Relativa
m/z
-
O
3
S
NH
2
•
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
171
194
266
Abundância Relativa
m/z
-
O
3
S
NH
2
•
-CO
2
, -CO
-•COONa; -CO
266
/ %
125
Figura 3.21 - ESI(-)-MS/MS para o ânion [1b – H + Na]
-
de m/z 266.
Figura 3.22 - ESI(-)-MS/MS para o ânion [1b – H]
2-
de m/z 121.5.
Figura 3.23 - ESI(-)-MS/MS para o ânion [1c – H]
2-
de m/z 107.5.
3.3.5.1.2 – Tratamento com NaClO
O tratamento de uma solução aquosa de Índigo Carmim com NaClO promoveu
sua rápida descoloração. Alíquotas foram recolhidas e analisadas por ESI(-)-MS.
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
112
107
197
171
Abundância Relativa
m/z
-
O
3
S
NH
2
-
O
3
S
NH
2
O
•
121,5
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
112
107
197
171
Abundância Relativa
m/z
-
O
3
S
NH
2
-
O
3
S
NH
2
O
•
121,5
/ %
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
171
107,5
Abundância Relativa
m/z
-
O
3
S
NH
2
O
O
- 107,5
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
171
107,5
Abundância Relativa
m/z
-
O
3
S
NH
2
O
O
- 107,5
/ %
126
Informações sobre as estruturas dos produtos formados neste processo foram obtidas
através da fragmentação dos íons precursores.
Após 10 minutos de reação com NaClO detectou-se, no ESI(-)-MS, o
surgimento de um sinal intenso em m/z 243 e outros menores em m/z 244, 242, 235,
228, 226 e 97 (Figura 3.24).
Figura 3.24 - ESI(-)-MS da solução aquosa de Índigo Carmim tratada com NaClO.
Note que nenhum dos ânions observados neste espectro possui o padrão
isotópico característico de espécies mono ou policloradas. Deste modo, embora NaClO
seja um conhecido agente clorinante, não há evidências da formação de produtos
clorados sob estas condições reacionais. A seleção por massas e fragmentação do íon de
m/z 243 produziu os íons-produto de m/z 242, 221, 199, 198, 172, 159 e 134 (Figura
3.25).
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
243,5
244
243
235
228
226
97
Abundância Relativa
m/z
-
O
N
H
O
HO
HO
-
O
3
S
O
N
O
H
-
O
3
S
/ %
127
Figura 3.25 - ESI(-)-MS/MS para o ânion 1d de m/z 243.
As informações obtidas nos dois espectros (Figuras 3.24 e 3.25), em conjunto
com a reatividade característica tanto do Índigo Carmim quanto do NaClO, foram
utilizadas para se sugerir uma estrutura para o ânion de m/z 243. A presença de um íon
de m/z 243.5 no ESI(-)-MS (Figura 3.24) atesta que esta espécie possui duas cargas
negativas. A diferença entre m/z 243 (o íon formado após a reação) e 210 (Índigo
Carmim em sua forma aniônica) corresponde a 33 unidades. Isto significa que, neste
produto, houve a incorporação de quatro átomos de oxigênio (64 Da) e dois átomos de
hidrogênio (2 Da). Com base nestas informações, foi possível sugerir a estrutura 1d para
este íon, como representado no Esquema 3.3. Neste esquema também são representados
os íons-produto formados a partir da fragmentação de 1d. Note que as fragmentações
observadas na Figura 3.25 são totalmente consistentes com a estrutura 1d proposta.
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
1d
243,5
242
134
221
159
172
243
199
198
Abundância Relativa
m/z
243
/ %
128
Esquema 3.3 – Fragmentações sugeridas para o ânion 1d.
Uma rota para a degradação do Índigo Carmim por NaClO é proposta no
Esquema 3.4. A formação de 1d é sugerida ocorrer via adição eletrofílica de HClO, que
se encontra em equilíbrio com a base conjugada
–
OCl em solução aquosa, sobre a dupla
ligação carbono-carbono exocíclica de 1 levando à formação de um intermediário
clorado de m/z 236/237, o qual não foi detectado no ESI(-)-MS (Figura 3.24). A rápida
descoloração da solução de Índigo Carmim na presença de NaClO está, provavelmente,
relacionada com a formação deste intermediário, no qual a extensa conjugação dos
129
elétrons π foi rompida. Sequencialmente, ocorre a substituição de Cl
-
por OH
-
, gerando
o intermediário dihidroxilado de m/z 227, o qual também não foi detectado no espectro.
A conversão do intermediário dihidroxilado em 1d envolve a cloração do anel indólico,
gerando o intermediário instável de m/z 261/262 (não detectado). Simultâneos ataques
nucleofílicos de grupos hidroxila em ambos os carbonos das carbonilas do ânion de m/z
261/262, causam a ruptura do anel indólico e consequente formação do anel expandido
de seis membros e eliminação de duas moléculas de HCl, formando a espécie transiente
de m/z 225, também não detectado no espectro. Finalmente, o ânion 1d é formado via
inserção de duas moléculas de H
2
O na ligação C=N da espécie m/z 225. Posteriormente
ocorre a decomposição de 1d via clivagem da ligação exocíclica C-C, formando o ânion
1g de m/z 242 e o ânion de m/z 244. 0 ânion de m/z 244, não detectado no espectro,
pode ser facilmente oxidado à espécie de m/z 242, especialmente na presença de um
poderoso agente oxidante como NaClO.
130
Esquema 3.4 – Rota proposta para a degradação do Índigo Carmim por NaClO em
solução aquosa.
Uma oxidação parcial do intermediário dihidroxilado, i. e. uma inserção de um
átomo de oxigênio em um único anel indólico, explica a detecção do ânion 1e de m/z
235. A fragmentação do íon de m/z 235 (Figura 3.26), para o qual a estrutura 1e foi
atribuída, gera os ânions 1g (m/z 242) e 1h (m/z 228), além do íon de m/z 198 (1g –
CO
2
). A formação do ânion 1i pode ser facilmente explicada pela subseqüente oxidação
de 1h. Note também, que a estrutura proposta (1e) está consistente com a fragmentação
apresentada pelo íon de m/z 235 corroborando, desta forma, a rota de degradação
indicada no Esquema 3.4.
131
Finalmente, o ânion de m/z 97, correspondente a HSO
4
-
, é supostamente
formado a partir de um ataque eletrofílico de radicais hidroxila sobre o átomo de
enxofre do grupo SO
3
(de 1d ou outro produto) seguido pela quebra homolítica da
ligação C-S.
Esquema 3.5 – Rota proposta para a formação de 1e de m/z 235 e subseqüente
decomposição nos ânions 1g, 1h e 1i.
Figura 3.26 –ESI(-)-MS/MS para o ânion 1e de m/z 235.
3.3.5.2 – Ponceau 4R
3.3.5.2.1 – Tratamento com O
3
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
235
80
198
228
242
Abundância Relativa
m/z
O
N
H
O
-
O
3
S
O
N
H
O
-
O
3
S
OH
H
-
O
3
S
N
H
O
235
/ %
132
Como anteriormente verificado, o tratamento com O
3
promoveu uma
descoloração intensa da solução aquosa do corante Ponceau 4R, indicando sua rápida
degradação. A análise por ESI(-)-MS de uma solução aquosa deste corante é mostrada
na Figura 3.27. Nesta Figura observa-se a presença predominante do íon 2 de m/z 268,
correspondente à molécula do corante com duas cargas negativas (um dos grupos
sulfonato está ligado a um próton). A seleção por massas e fragmentação de 2 levou à
formação de dois ânions distônicos de m/z 206 e 302, através da perda de uma molécula
de N
2
, como representado no Esquema 3.5.
Figura 3.27 – ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante Ponceau 4R, onde se
observa a presença predominante do ânion 2.
4
50 100 150 200 250 300
0
20
40
60
80
100
269
268,5
268
Abundância Relativa
m/z
N N
-
O
3
S
HO
HO
3
S
SO
3
-
/ %
133
Figura 3.28 - ESI(-)-MS/MS para o ânion 2de m/z 268.
Esquema 3.6 - Fragmentações sugeridas para o ânion 2.
Uma alíquota da mistura reacional foi retirada e analisada por ESI(-)-MS e o
resultado é mostrado nas Figuras 3.29a e 3.29b. Observa-se, neste espectro, a presença
de íons de m/z 195, 176, 167, 154, 153, 146 e, principalmente, 97. Como verificado
anteriormente, o ânion de m/z 97 está relacionado à presença da espécie HSO
4
-
em
solução a qual, por sua vez, é produzida a partir da desulfonilação das moléculas do
corante e/ou seus produtos. Tal processo é, provavelmente, induzido pelos radicais
hidroxila, espécies altamente reativas geradas in situ nestas condições.
R
SO
3
-
HO
.
R
.
+ HSO
4
-
2 m/z 268
N N
-
O
3
S
HO
HO
3
S
SO
3
-
CID
- N
2
m/z 206
.
-
O
3
S
+
HO
3
S
SO
3
-
HO
.
m/z 302
100 150 200 250 300 350
0
20
40
60
80
100
206
268
302
Abundância Relativa
m/z
H
O
3
S
SO
3
-
HO
.
m
/
z
3
0
2
.
-
O
3
S
100 150 200 250 300 350
0
20
40
60
80
100
206
268
302
Abundância Relativa
m/z
H
O
3
S
SO
3
-
HO
.
m
/
z
3
0
2
.
-
O
3
S
/ %
134
Analogamente, o ânion de m/z 195 corresponde ao dímero de próton do ânion
HSO
4
-
, i. e. [2HSO
4
+ H]
-
, como confirmado pela análise de seu ESI(-)-MS/MS (Figura
3.30), no qual se verifica a presença única do ânion HSO
4
-
de m/z 97.
Figura 3.29a - ESI(-)-MS da solução aquosa de Ponceau 4R tratada com ozônio por 10
minutos.
Figura 3.29b – Visão ampliada do ESI(-)-MS da solução aquosa de Ponceau 4R tratada
com ozônio por 10 minutos (m/z de 120 a 200).
50 100 150 200 250
0
20
40
60
80
100
146
97
195
176
167
154
153
Abundância Relativa
m/z
/ %
[2HSO
4
+ H]
-
/ %
135
Figura 3.30 - ESI(-)-MS/MS para o ânion [2HSO
4
+ H]
-
de m/z 195.
Para explicar o surgimento dos demais ânions no ESI(-)-MS (Figuras 3.29a e
3.29b) propôs-se, como etapa inicial, um ataque de uma molécula de ozônio sobre a
ligação N=N com a conseqüente formação de um intermediário ozonídeo o qual, devido
sua alta instabilidade, rapidamente se decompõe para gerar os ânions distônicos de m/z
206 e 302 (não detectados na mistura reacional). Com a quebra da ligação dupla N=N, a
conjugação dos elétrons π pelo sistema é interrompida e a solução rapidamente perde
sua coloração inicial. O sítio radicalar de ambas espécies pode ser facilmente oxidado
nestas condições e, em seguida hidroxilado, para gerar os produtos 2a (m/z 223) e 2b
(m/z 319) (Esquema 3.6).
60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
97
195
Abundância Relativa
m/z
195
/ %
136
não detectado
2a m/z 223
-
O
3
S
OH
-
O
3
S
SO
3
-
HO
HO
2b m/z 159
m/z 150.5
.
-
O
3
S
SO
3
-
HO
+
-
O
3
S
.
m/z 206
O
3
N N
-
O
3
S
HO
-
O
3
S
SO
3
-
[2 - H]
-
[O]
H
2
O
N N
-
O
3
S
HO
-
O
3
S
SO
3
-
O
O O
- N
2
O; - O
2
+
não detectado
não detectado
não detectado
intermediário ozonídeo
não detectado
Esquema 3.7 – Decomposição do intermediário ozonídeo supostamente formado na
reação do corante Ponceau 4R com ozônio.
A presença de dois substituintes OH vicinais no anel aromático de 2b permite
uma rápida oxidação para gerar a quinona 2d de m/z 158. A partir de processos como
hidroxilações, oxidações e descarbonilações, as estruturas 2e (m/z 167), 2f (m/z 176), 2g
(m/z 154), 2h (m/z 153) e 2i (m/z 146) foram propostas, como mostrado no Esquema
3.7.
As estruturas propostas para tais ânions estão condizentes com os respectivos
ESI(-)-MS/MS. Assim, a seleção por massas e fragmentação do ânion de m/z 176 (2f)
produziu o íon-produto de m/z 154 por meio da perda de uma molécula de CO
2
. No
ESI(-)-MS/MS do ânion de m/z 153 (2h) (Figura 3.31) observa-se a presença dos
seguintes fragmentos: m/z 131 (perda de CO
2
), 117 (perda de CO
2
+ C
2
H
4
) e 99 (perda
de CO
2
+ SO
2
).
137
Figura 3.31 - ESI(-)-MS/MS para o ânion de m/z 153 (2h).
Curiosamente, não se conseguiu identificar produtos formados a partir de 2a.
Neste caso, supõe-se que, devido à ausência de grupos OH suscetíveis à oxidações
subseqüentes, a desulfonilação torna-se predominante e os produtos provenientes deste
processo, por gerarem os respectivos ânions em baixas concentrações, não puderam ser
detectados. Veja, por exemplo, a proposta de formação do produto fenólico 2c (m/z 143)
a partir da desulfonilação do precursor 2a.
Deve-se dizer, também, que outras estruturas podem ser propostas para tais
produtos, além daquelas descritas no Esquema 3.7, a partir de rotas alternativas. Outros
ânions detectados no ESI(-)-MS (Figuras 3.29a e 3.29b), embora numa menor
intensidade relativa, são também prováveis produtos deste processo, indicando que a
degradação deste corante por ozônio gera uma infinidade de substâncias em solução
aquosa.
50 100 150 200
0
20
40
60
80
100
117
131
99
154
153
Abundância Relativa
m/z
/ %
138
- CH
3
COOH
2i m/z 146
-
O
3
S
SO
3
-
O
H
O
H
- CO
2
-
O
3
S
SO
3
-
O
H
OH
2g m/z 154
- H
2
O
- CO
-
O
3
S
SO
3
-
HO
O
2h m/z 153
H
2
O
-
O
3
S
SO
3
-
O
HO
O
H
OH
2f m/z 176
H
2
O
-
O
3
S
SO
3
-
O
O OH
2e m/z 167
não detectado
não detectado
2d m/z 158
-
O
3
S
SO
3
-
O
O
[O]
-
O
3
S
SO
3
-
HO
HO
2b m/z 159
SO
3
+
m/z 97
HSO
4
-
OH
[2c - H]
-
m/z 143
não detectado
H
2
O
não detectado
2a m/z 223
-
O
3
S
OH
2c (144 Da)
Esquema 3.8 – Possíveis produtos formados na degradação do corante Ponceau 4R por
ozônio a partir dos ânions 2a e 2b.
139
3.3.5.2.2 – Tratamento com NaClO
O tratamento de uma solução aquosa do corante Ponceau 4R com NaClO
promoveu sua descoloração de forma rápida e intensa. Uma alíquota da mistura
reacional foi retirada e analisada por ESI(-)-MS e o resultado é mostrado nas Figuras
3.32a e 3.32b. Observa-se, neste espectro, a presença de íons de m/z 241/243, 179, 165,
161, 97 (HSO
4
-
) e 83/ 85. Os ânions de m/z 83/ 85 referem-se, provavelmente, à espécie
ClSO
-
a qual, por sua vez, é sugerida ser formada a partir da interação entre radicais Cl•
(formados in situ nestas condições) e os grupos SO
3
ligados aos anéis aromáticos do
corante e/ ou seus produtos de degradação. Tal proposta será confirmada ou rejeitada
pela análise do ESI(-)-MS/MS do ânion de m/z 83, o qual não foi obtido até o presente
momento.
A proposta para a degradação deste corante azo envolve, como etapa inicial, a
formação de um intermediário dihidroxilado (Esquema 3.8) a partir da reação de
radicais hidroxila (gerados in situ nestas condições) com o grupamento azo do corante.
A possível formação deste intermediário, com a conseqüente quebra da ligação N=N,
explica a descoloração da solução observada. Com a liberação de duas moléculas de NO
e uma molécula de H
2
, ocorre a formação dos ânions distônicos de m/z 206 e 150.5, os
quais rapidamente participam de reações subseqüentes. De fato, no ESI(-)-MS da
mistura reacional (Figuras 3.32a e 3.32b) observa-se ânions de m/z 241/ 243 claramente
indicando a formação do produto 2l através do acoplamento do radical de m/z 206 com
Cl
•. Curiosamente, não se observou produtos monoclorados análogos (m/z 168/ 169)
proveniente do radical de m/z 150.5. A estrutura para os ânions de m/z 161 (2k) e 165
([2j – H]
-
) foram sugeridas com base nos respectivos ESI(-)-MS/MS. Desta forma, a
fragmentação do ânion de m/z 165 gerou os seguintes íons-produto: 121 (perda de CO
2
)
e 77 (perda de duas moléculas de CO
2
). O ESI(-)-MS/MS do ânion de m/z 161 (Figura
3.33) apresentou fragmentos com m/z maiores do que o íon precursor (m/z 250, 198,
170) indicando que o mesmo possui duas cargas negativas. A interpretação completa
para a fragmentação do ânion 2k encontra-se descrita no Esquema 3.9. Deve-se ressaltar
ainda que: (a) outras estruturas isoméricas também podem ser atribuídas a tais ânions;
(b) tais produtos (2j e 2k) são formados a partir de uma extensa degradação da molécula
do corante induzida por NaClO, um poderoso agente oxidante.
140
Figura 3.32a - ESI(-)-MS da solução aquosa de Ponceau 4R tratada com NaClO.
Figura 3.32b – Visão ampliada do ESI(-)-MS da solução aquosa de Ponceau 4R tratada
com NaClO (m/z de 90 a 250).
60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
0
20
40
60
80
100
243
241
179
165
161
97
85
83
Abundância relativa
m/z
/ %
100 120 140 160 180 200 220 240
0
20
40
60
80
100
243
241
179
165
161
93
97
Abundância Relativa
m/z
2l
[2j – H]
-
2k
100 120 140 160 180 200 220 240
0
20
40
60
80
100
243
241
179
165
161
93
97
Abundância Relativa
m/z
2l
[2j – H]
-
2k
/ %
141
Figura 3.33- ESI(-)-MS/MS para o ânion de m/z 161 (2k).
60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
0
20
40
60
80
100
250
80
124,5
170
198
161
139
Abundância Relativa
m/z
161
/ %
142
Esquema 3.9 – Possíveis produtos formados na degradação do corante Ponceau 4R por
NaClO em solução aquosa..
-
O
3
S
OH
OH
SO
3
-
-
O
3
S
O
O
SO
3
-
2j 166 Da [2j – H]- m/z 165
O
H
.
-
O
3
S
OH
OH
SO
3
-
-
O
3
S
O
O
SO
3
-
2j 166 Da [2j – H]- m/z 165
O
H
.
143
2k m/z 161
-
O
3
S
SO
3
-
COOH
CH
3
O
.
- CO
- [CO
2
]
m/z 250
-
O
3
S
SO
3
H
H
3
C
.
-
.
- SO
3
-
.
- CO
2
SO
3
-
CH
3
O
m/z 198
.
- CO
.
m/z 170
SO
3
-
H
3
C
- CO
2
-
O
3
S
SO
3
-
CH
3
O
m/z 139
- COOH
.
-
O
3
S
SO
3
-
CH
3
O
.
m/z 124.5
Esquema 3.10 - Fragmentações sugeridas para o ânion 2k.
3.3.5.3 – Demais corantes azo: Amaranto, Amarelo Crepúsculo, Tartrazina, Vermelho
40.
A degradação dos demais corantes azo (Amaranto, Tartrazina, Amarelo
Crepúsculo e Vermelho 40) por ozônio e hipoclorito de sódio em solução aquosa foi
igualmente monitorada por ESI(-)-MS e os produtos analisados por ESI(-)-MS/MS.
Resultados similares aos descritos para o corante Ponceau 4R foram obtidos, ou seja,
houve a formação de produtos provenientes de desulfonilações e oxidações extensivas
dos anéis aromáticos. Não se detectou, em nenhum caso, a presença de aminas ou
nitrosoaminas, compostos potencialmente carcinogênicos que poderiam ser formados
em tais circunstâncias.
A degradação dos corantes Azul Brilhante e Eritrosina, pertencentes às classes
dos trifenilmetanos e xantenos, respectivamente, será posteriormente melhor estudada.
144
3.3.6- Teste de ecotoxicidade
Uma elevada quantidade de resíduos de corantes provenientes da indústria
alimentícia e do esgoto doméstico é lançada diariamente para o meio ambiente. Para se
avaliar o potencial toxicológico dessas substâncias à pequenos organismos aquáticos,
bio-ensaios com Artemia salina foram realizados.
Os corantes permitidos pela legislação brasileira para utilização em alimentos
pertencem a quatro grandes classes: corantes azo, trifenilmetanos, indigóides, e corantes
xantenos. Como representantes dessas classes, os testes de ecotoxicidade foram
efetuados com os corantes Vermelho 40, Azul Brilhante, Índigo Carmim e Eritrosina,
respectivamente. Os bio-ensaios também foram realizados com os produtos de
degradação dos corantes submetidos à ozonólise. Este processo de oxidação foi
escolhido por não apresentar efeito residual após o término da reação.
Os resultados obtidos para os quatro corantes escolhidos são apresentados na
Tabela 3.3.
A partir dos dados obtidos, verificou-se que os corantes Vermelho 40, Azul
Brilhante, Índigo Carmim e Eritrosina e seus produtos de degradação não apresentaram
toxicidade à Artemia salina nas concentrações em que foram utilizados. Como estes
corantes apresentam estruturas próximas às dos corantes das classes a que pertencem,
pode-se extrapolar estes resultados e inferir que todos os corantes que pertencem aos
grupos azo, trifenilmetano, indigóide e xanteno provavelmente não devem apresentar
toxicidade a este microcrustáceo, quando utilizados em concentrações semelhantes às
que foram empregadas neste trabalho.
145
Tabela 3.3- Resultados dos testes de ecotoxicidade de corantes usados na indústria
alimentícia em Artemia salina .
Padrões analíticos
dos corantes e
soluções de corantes
oxidadas
Diluições dos corantes e nº de Artemias mortas
(experimento feito em triplicata)
50% 50%
50% 25% 25% 25% 10% 10% 10%
Vermelho 40
(concentração inicial
de 120 mg L
-1
)
0
0
0
0
0
0
1
0
0
Vermelho 40
submetido à ozonólise
(120 mg L
-1
)
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Azul Brilhante
(concentração inicial
de 60 mg L
-1
)
0
0
0
0
0
1
0
0
0
Azul Brilhante
submetido à ozonólise
(60 mg L
-1
)
0
0
0
0
0
0
0
0
1
Índigo Carmim
(concentração inicial
de 160 mg/L)
1
1
0
0
0
0
0
0
0
Índigo Carmim
submetido à ozonólise
(160 mg L
-1
)
1
0
0
0
2
0
0
0
0
Eritrosina
(concentração inicial
de 120 mg L
-1
)
0
0
0
0
1
0
0
0
0
Eritrosina
submetido à ozonólise
(120mg L
-1
)
1
0
0
0
2
0
0
0
0
3.4 Conclusões
Alguns dos processos oxidativos avançados (POAs) estudados neste trabalho
foram eficientes na remoção da cor dos corantes utilizados na indústria alimentícia.
A técnica ESI-MS mostrou ser bastante útil no monitoramento da degradação
dos corantes Índigo Carmim e Ponceau 4R por ozônio e hipoclorito de sódio em solução
aquosa. Vários produtos e intermediários foram detectados e tais resultados foram úteis
para a compreensão dos mecanismos de oxidação. Muitos dos intermediários
caracterizados são espécies instáveis e não poderiam ser detectados através das técnicas
usuais, como GC/MS e LC/MS. O monitoramento da reação por UV certamente não
permitiria a obtenção da quantidade de informações descritas neste trabalho.
146
Em relação aos produtos de degradação dos corantes azo, não foi detectado, em
nenhum caso, a presença de aminas ou nitrosoaminas, compostos potencialmente
carcinogênicos que poderiam ser formados em tais circunstâncias.
Os testes de ecotoxicidade à Artemia salina também mostraram que os corantes
utilizados na indústria alimentícia, bem como seus produtos de degradação, não são
tóxicos a estes organismos aquáticos.
Finalmente, espera-se que os resultados advindos deste trabalho possam
contribuir para uma melhor compreensão do funcionamento dos POAs, especialmente
quando aplicados na degradação de corantes e pesticidas.
147
Conclusão Geral
A radiação UV foi eficiente no processo de degradação dos inseticidas
Thiamethoxam e Methomyl. O Fe
0
em meio ácido, bem como o sistema Fe
0
/Fe
3
O
4
/pH2
ou Fe
0
/Fe
3
O
4
/pH2/H
2
O
2
promoveram a degradação redutiva e oxidativa,
respectivamente, dos inseticidas Thiamethoxam e Imidacloprid.
Os processos oxidativos avançados NaClO, O
3
e UV/H
2
O
2
removeram com
eficiência a coloração das soluções dos corantes.
As análises de carbono orgânico total mostraram que não houve perda de
carbono orgânico das soluções dos inseticidas e corantes, indicando que os sistemas de
degradação nas condições utilizadas não promovem a mineralização destas moléculas.
Os testes de ecotoxicidade à Artemia salina foram muito interessantes,
propiciando a comparação da toxicidade dos inseticidas ou corantes em relação a seus
produtos de degradação.
As análises por ESI-MS mostraram-se muito úteis durante os estudos
mecanísticos de degradação dos inseticidas e corantes, permitindo propor uma rota de
degradação para estas substâncias de acordo com o sistema de degradação submetido.
148
Referências Bibliográficas
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