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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
CENTRO DE ENERGIA NUCLEAR NA AGRICULTURA
MARCELO ALVES TEIXEIRA
Desenvolvimento de instrumentação e procedimentos automáticos
para determinação de arsênio e fluoreto em águas empregando
multicomutação em fluxo e detecção fotométrica
Piracicaba
2010
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MARCELO ALVES TEIXEIRA
Desenvolvimento de instrumentação e procedimentos automáticos
para determinação de arsênio e fluoreto em águas empregando
multicomutação em fluxo e detecção fotométrica
Tese apresentada ao Centro de Energia Nuclear
na Agricultura da Universidade de São Paulo
para obtenção do título de Doutor em Ciências
Área de Concentração: Química na Agricultura e
no Ambiente
Orientador: Prof. Dr. Boaventura Freire dos Reis
Piracicaba
2010
Autorizo a reprodução e divulgação total ou parcial deste trabalho, por qualquer
meio convencional ou eletrônico, para fins de estudo e pesquisa, desde que
citada a fonte.
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
Seção Técnica de Biblioteca - CENA/USP
Teixeira, Marcelo Alves
Desenvolvimento de instrumentação e procedimentos automáticos para
determinação de arsênio e fluoreto em águas empregando multicomutação em
fluxo e detecção fotométrica / Marcelo Alves Teixeira; orientador Boaventura
Freire dos Reis. - - Piracicaba, 2010.
160 p.: fig.
Tese (Doutorado – Programa de Pós-Graduação em Ciências. Área de
Concentração: Química na Agricultura e no Ambiente) – Centro de Energia
Nuclear na Agricultura da Universidade de São Paulo.
1. Análise por injeção em fluxo 2. Conversores A/D e D/A 3. Fotometria
4. Surfactantes I. Título
CDU 543.34:535.24
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DEDICATÓRIA
À Deus.
Dedico, todos os dias e noite em claro, cada
lágrima, cada parágrafo, frase, palavra, que
foram necessárias para o desenvolvimento e
conclusão deste trabalho, em especial, aos
meus filhos Marcelo Henrique e Murilo
Augusto, minha esposa Milena, meus pais
Antônio e Eleide, meus irmãos, Márcia,
Marilda, Márcio e Maurício, e demais
familiares.
AGRADECIMENTOS
Ao Centro de Energia Nuclear na Agricultura – CENA e à Universidade de
São Paulo – USP, pela oportunidade, instalações e facilidades oferecidas.
À Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul – UEMS, pelo apoio, pela
confiança a mim depositada e auxílio financeiro durante todo o período de afastamento.
Ao professor Boaventura Freire dos Reis, pela orientação e os ensinamentos
transmitidos em todas as áreas da ciência, pelos conselhos, paciência, amizade e sua
bondade incomparável. Será sempre um grande pai científico e um verdadeiro exemplo
de vida, alegria, garra, perseverança e superação.
Aos pesquisadores do CInAM, em especial aos professores Edemar, Antônio
Rogério, Luis Humberto, Sandro, Etenaldo Felipe, Mirko e Yzel, pelo estímulo,
paciência, amizade e convívio. Aos demais colaboradores do CInAM, em especial
Micelhe, Francisco e João, muito obrigado pelo incentivo e apoio recebidos.
À Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação – PROPP/UEMS, em especial
ao professor Sidnei Eduardo, pelo apoio e confiança. Aos demais colaboradores da
PROPP, em especial ao Setor de Capacitação (Jorgina), pelo apoio, conselhos e
suporte.
Aos pesquisadores do CPBio, em especial à professora Cláudia, pelo
estímulo, amizade e conselhos. Aos demais colaboradores CPBio, em especial ao
amigo Frankstefen, pelo incentivo, convívio e amizade.
Aos professores, pesquisadores, colaboradores e amigos da UEMS, em
especial ao Juscelino, Nilson, Noé, Tiago, Paloma, Rafael, Jandira, Gilberto, Rosa,
Regina, Cida (DRH), Cidinha (Biologia), Luciana, Marcelina, Charlls, Alison, Paulo,
Alencar, Joeliton, Keila, Vitinho, Ronaldo, Wagner e Margarete, por todo apoio,
incentivo e cooperação, de modo a viabilizar meu afastamento. Aos demais colegas de
trabalho da UEMS, que de alguma forma auxiliaram no decorrer dos estudos e
afastamento.
Ao professor Onofre Salgado Siqueira, grande amigo e pai científico, por
todo apoio e auxilio nos momentos de dificuldade. Exemplo de seriedade, sabedoria e
diplomacia.
AGRADECIMENTOS
Aos colaboradores do Laboratório “Henrique Bergamin Filho” no CENA, em
especial à Sheila Roberta, à Maria de Fátima, ao Otávio, e à Iolanda Hufini (Tatinha),
pela disposição e apoio, que em todos os momentos não mediram esforços em
cooperar e auxiliar.
Aos pesquisadores da Química Analítica do CENA, em especial à professora
Maria Fernanda Giné Rosias, Elias A. G. Zagatto, Francisco J. Krug e José Roberto
Ferreira (José Santista), pelos ensinamentos e motivação.
Aos pesquisadores e colaboradores do Laboratório de Isótopos Estáveis do
CENA, em especial ao professor Jefferson Mortatti, e o mestrando Alexandre Martins
Fernandes, pela disposição em realizar as análises comparativas em Cromatografia de
Troca Iônica.
À Seção de Manutenção Geral do CENA, em especial ao Osmir, pela
disposição, paciência e auxílio na confecção de peças em acrílico utilizados deste
trabalho.
Aos professores José Albertino Bendassolli, Luiz Carlos Ruiz Pessenda,
Marcos Y. Kamogawa, pelas importantes observações durante o exame de
qualificação.
À Seção de Pós-Graduação do CENA, em especial à Neuda, Cláudia e
professora Adiana, pela atenção, apoio e paciência.
À Seção Técnica de Biblioteca do CENA, em especial à Marilia R. G. Henyei,
pelo auxílio na correção das referências e formatação deste trabalho.
À Seção Técnica de Informática do CENA, em especial ao Gabriel,
Fernando, Geraldo e Silvana, pelo disposição e atenção prestadas em diversos
momentos.
Aos amigos do Laboratório de Química Analítica do CENA, Mário Feres,
Milton Batista, Milton Sasaki, Gláucia Vieira, Carla, Paula Fortes, Lidiane, Rejane, André
Lavorante, Gabriel Carvalho, Sivanildo Borges, Geórgia, Edson e Alfredo, pelas
inúmeras ajudas prestadas, pelos momentos de descontração, pelo convívio
harmonioso, pelas inúmeras caronas, por fazerem parte da minha história.
AGRADECIMENTOS
Aos meus amigos Dário Santos Jr, Izabella e o pequeno João Pedro, que
abriram a porta de sua casa para me acolher, sempre me incentivando e mostrando as
dificuldades vividas, me aconselharam e se puseram à disposição. Muito obrigado por
me aceitar dentro desta família tão bonita.
Aos meus amigos de Piracicaba-SP, Alexssandra e Richard, e seus filhos
Sofia e Andrei, que sempre compartilharam de muita alegria e incentivo. Sou grato por
todos os bons momentos vividos, que Deus continue abençoando a família de vocês.
Aos meus amigos de Botucatu-SP, Gláucia e Fábio, e seus filhos Felipe e
Giovanni, que sempre compartilharam de muita alegria e incentivo. Sou grato por todos
os bons momentos vividos, que Deus continue abençoando a família de vocês.
Aos meus amigos de Catanduva-SP e Londrina-PR, Carla e Marcos
Kamogawa, que sempre orientaram e dispuseram de muita alegria, acolhida e
incentivo. Sou grato por todos os bons momentos vividos, que Deus continue
abençoando a família de vocês.
Aos meus grandes amigos, Tiago Modesto e Margarete Carraro, que nos
momentos decisivos sempre estiveram presente, com muita oração, com muita
sabedoria e perseverança.
Aos meus amigos José Manoel Marconcini e Lucinéia Marconcini, que
apesar da distância, sempre me incentivaram com palavras de estímulo e oração.
Aos meus amigos de todas as horas, Ronnei Peterson e Esmael Dias, e as
respectivas esposas, por todo o ensinamento transmitido, pela imensurável ajuda
recebida, por toda a disposição, pelos momentos de descontração e o companheirismo
no desenvolvimento de sistemas, por fazerem parte da minha história.
À minha sogra, Dª. Neli, por todo o apoio, oração e disposição em viajar
semanalmente, 500 km, aos 68 anos de idade, durante dois anos consecutivos, para
cuidar de meus filhos. Que Deus lhe dê graças em dobro, sou eternamente grato pela
imensa ajuda.
Aos amigos de Dourados-MS, em especial ao Adilson (Sadol), Maria do
Socorro, Lúcia, Ronilton, Marcos (Toko), Zuleide, Ana Maria, João Correia, Juliana,
AGRADECIMENTOS
Adelaide, Neuma, Rute e Jorge Augusto, por todo apoio e ajuda prestada à minha
família durante meu afastamento.
Aos amigos Rodrigo e Carina, e minhas possíveis noras, pelos momentos de
descontração e preciosa amizade, pelas alegrias de pescaria, pelo convívio com nossa
família e estímulo para vencer nesta luta.
Aos “Chemical Brother” de Campo Grande-MS, Cleber Toledo, Geraldo
Paes, Rodrigo Evaristo, Marcio (Nanix), Clauber Dalmas, por todo apoio, ensinamentos
e descontração.
Aos meus pais Antônio e Eleide, por todo carinho, preocupação, atenção e
estímulo recebidos não somente durante meus estudos, mas por toda a vida. Levo
vocês sempre estão em meu coração em todos os momentos.
Aos meus irmãos Márcia, Marilda, Márcio e Maurício, por todo carinho,
conselhos, orientação, orações e apoio. Vocês serão sempre importantes em todos os
momentos de minha vida. Aos meus familiares, em especial à minha tia Célia, que
desde a minha infância sempre me apoiou, ajudou e se pôs à disposição em todos os
momentos de dificuldade. Às minhas cunhadas, Ângela e Anair, e cunhado Joel, por
todo apoio, força, ensinamentos e por fazerem parte de minha família. Aos meus
sobrinhos, Thiago Jorge, Larissa e Giovanna, pelo apoio e pensamento positivo.
E, finalmente, não tenho palavras para agradecer à minha esposa, Milena,
meu grande amor, que junto com os meus filhos Marcelo Henrique e Murilo Augusto,
proporcionaram todo o carinho, oração, respeito e confiança plena neste trabalho.
Batalhando ao meu lado em todos os dias, em todas as horas. A vocês, meus mais
sinceros agradecimentos, por toda a minha vida. Sem vocês, não teria forças para
continuar nos momentos de dificuldade e condições para superá-las. Que Deus
continue iluminando e abençoando nossa família. Amém.
A todos que diretamente ou indiretamente auxiliaram na realização deste
trabalho.
Sou-lhes muito grato, muito obrigado!!!
“Comece fazendo o que é necessário, depois o que é
possível e, de repente, você estará fazendo o impossível.”
(
São Francisco de Assis
)
RESUMO
TEIXEIRA, M. A. Desenvolvimento de instrumentação e procedimentos
automáticos para determinação de arsênio e fluoreto em águas empregando
multicomutação em fluxo e detecção fotométrica. 2010. 159f. Tese (Doutorado) –
Centro de Energia Nuclear na Agricultura, Universidade de São Paulo, Piracicaba,
2010.
Neste trabalho, é proposto o desenvolvimento de instrumentação e procedimentos
analíticos automáticos para a determinação de fluoreto e arsênio em águas
empregando o conceito de multicomutação em fluxo e detecção fotométrica. Na
determinação de fluoreto, o controle dos dispositivos foi realizado empregando um
computador, programado em QuickBasic 4.5. O fotômetro desenvolvido utilizava um
fotodetector (OPT301), uma cela de fluxo com 60 mm de caminho óptico e um LED (
λ
= 525 nm), usado como fonte de radiação. Os sinais gerados pelo fotômetro foram
convertidos para digital empregando um multímetro digital, que os transferia para o
computador através da interface serial RS-232. O procedimento para a determinação
de fluoreto foi baseado no método de zircônio/vermelho de alizarina S, onde o fluoreto
retira o zircônio da estrutura metal ligante formando um complexo incolor. Após a
seleção das variáveis de controle, o procedimento proposto apresentou resposta linear
na faixa de 0,25 a 1,75 mg L
-1
(LD = 0,06 mg L
-1
), desvio relativo menor que 3,5%,
freqüência de amostragem de 45 h
-1
. No sistema para determinação de arsênio em
águas, o controle do módulo de análise foi realizado utilizando um microcontrolador da
série PIC 18F2553, o qual contém um conversor A/D interno de 12 bits de resolução e
capacidade de operar com taxa de amostragem de até 100.000 s
-1
. O mesmo recebia
os parâmetros de controle por um computador via USB 2.0, que utilizava a mesma
interface para transferir os dados provenientes do fotômetro. O software para essa
comunicação foi escrito em Delphi 7.0 e a linguagem C foi utilizada para a programação
do microcontrolador. Como sistema de detecção foi o mesmo empregado na
determinação de fluoreto, utilizando um LED (
λ
= 625 nm) como fonte de radiação. O
procedimento proposto para a determinação de arsênio foi baseado na reação do
arsênio inorgânico com boro-hidreto, onde a arsina formada reagia com azul de
metileno em meio micelar. A descoloração da solução de azul de metileno era
proporcional à concentração de arsênio presente na amostra. A procedimento proposto
apresentou resposta linear na faixa de 2,5 a 40 µg L
-1
(r = -0,995), limite de detecção de
0,3 µg L
-1
, desvio relativo menor que 6,5 %, freqüência de amostragem de 25 h
-1
.
Palavras-chave: Fluoreto. Arsênio. Análise por injeção em fluxo. Multicomutação. Mini-
bombas. Água. Microcontrolador.
ABSTRACT
TEIXEIRA, M. A. Development of instrumentation and automatic procedures for
the determination of arsenic and fluoride in waters by using flow
multicommutaion and photometric detection. 2010. 159f. Tese (Doutorado) – Centro
de Energia Nuclear na Agricultura, Universidade de São Paulo, Piracicaba, 2010.
The development of instrumentation and automatic procedures for the determination of
arsenic and fluoride in waters by using flow multicommutation and photometric detection
were proposed. For fluoride determination, the system was controlled by a
microcomputer equipped with MS-Dos environment and running a software written in
Quick Basic 4.5. It was used a homemade photometric detector OPT301, a 60 mm
pathway flow cell, and a light emitting diode (
λ
= 525 nm) as light source. Data
acquisition was performed by using a digital multimeter and a microcomputer with RS-
232 serial interface. The method was based on a complexation reaction between
fluoride and alizarin red S, where the fluoride takes out the zircon from the metal-binding
moieties resulting in color bleaching. After optimization of parameters, the procedure
provided linear response in the 0.25 to 1.75 mg L
-1
range, limit of detection of 0.06 mg L
-
1
, coefficient of variation lower than 3.5 %, and sample throughput of 45 determinations
per hour. For arsenic determination, the control module was performed by using a PIC
18F2553 microcontroller equipped with a 12 bits resolving power A/D internal converter,
working at 100,000 sampling per second rate. Data acquisition was performed by a
microcomputer equipped with Windows environment and running a software written in
Delphi 7.0. A LED (
λ
= 625 nm), as radiation source, was used for As determinations by
using the same detection system used for fluoride determination. The method for As
determination was based on the color bleaching of methylene blue in micellar media by
AsH
3
produced from inorganic As and NaBH
4
. The color bleaching of methylene blue
was proportional to As concentration in the sample. The proposed method provided
linear response in the 2.5 to 40 µg L
-1
range, limit of detection of 0,3 µg L
-1
, coefficient of
variation lower than 6.5 %, and sample throughput of 25 determinations per hour.
Keywords: Fluoride. Arsenic. Flow injection analysis. Multicommutation. Mini-pumps.
Water. Microcontroller.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Injetor comutador desenvolvido por Bergamin et al.,
(1978). .......................................................................................26
Figura 1.2 – Ilustração de mini-bomba solenóide...................................27
Figura 1.3 – Válvulas solenóides
,
utilizadas para manipular amostras e
soluções de reagentes em sistema FIA. ..............................28
Figura 1.4 – Vista em corte de um LED. ...................................................32
Figura 1.5 – Modelo de inserção seqüencial de alíquotas das soluções de
amostra e reagentes conforme do processo de
multicomutação em fluxo proposto por Reis et al., (1994).
.....................................................................................................33
Figura 3.1 – Fotos da patologia fluorose dentária; (a) estágio inicial; (b)
estágio avançado. Caracterizadas pelas manchas brancas
distribuídas ao logo dos esmaltes dentários.......................42
Figura 3.2 – Fórmulas estruturais do complexo de zircônio/ vermelho de
alizarina S existentes em função do pH. .............................46
Figura 3.3 – Reação entre os íons fluoreto e o zircônio presente no
complexo zircônio/vermelho de alizarina S para a formação
fluoreto de zircônio..................................................................47
Figura 3.4 – Diagrama eletrônico, embutido em um único chip, do
sistema fotométrico utilizando o CI OPT301 como
fotodetector...............................................................................53
Figura 3.5 – Ilustração do módulo de controle utilizando o CI ULN 2803
conforme descrito por Ródenas-Torralba, et al., (2006). 54
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.6 – Vista lateral da cela de fluxo de longo caminho óptico
montada no laboratório ..........................................................56
Figura 3.7 – Diagrama do módulo de análise e diagrama de tempo de
acionamento da determinação de fluoreto em águas servida
para consumo humano ...........................................................58
Figura 3.8 – Estudo de estabilidade cinética do complexo
zircônio/vermelho de alizarina S...........................................68
Figura 3.9 – Estudo do comprimento do reator helicoidal B
2
. Reação
entre complexo Zr/VAS com solução padrão 1 mg L
-1
de
fluoreto. .....................................................................................69
Figura 3.10 – Estudo do comprimento da zona de amostra representada
pelo número de ciclos. ............................................................71
Figura 3.11 – Efeito do volume de amostra sobre o volume fixado do
complexo Zr/Vermelho de Alizarina S (8 µL
-1
). .................72
Figura 3.12 – Curva analítica dos padrões preparados de fluoreto. ......73
Figura 3.13 – Efeito da adição de ferro nas soluções de referência de
fluoreto. .....................................................................................75
Figura 3.14 – Efeito da adição de alumínio nas soluções de referência de
fluoreto. .....................................................................................76
Figura 3.15 – Efeito da adição de fosfato nas soluções de referência de
fluoreto. .....................................................................................77
Figura 3.16 – Sinais transientes das soluções padrão de fluoreto e das
amostras estudadas.................................................................79
LISTA DE FIGURAS
Figura 4.1 – Microcontrolador de montagem em superfície (SMD)
soldados sobre uma placa de circuito impresso (PCB).....86
Figura 4.2 – Ilustração do módulo de aquisição de dados utilizando A/D
interno de 12 bits do microcontrolador PIC 18F2553.......92
Figura 4.3 – Representação esquemática do princípio de PWM. ..........93
Figura 4.4 – Ilustração dos módulos de controle por PWM do módulo de
análise........................................................................................94
Figura 5.1 – Fórmula estrutural de um surfactante aniônico: (a) cadeia
hidrofóbica e (b) cadeia hidrofílica iônica. ..........................102
Figura 5.2 - Estrutura micelar em corte formada por surfactantes
aniônico......................................................................................105
Figura 5.3 – Ilustração do módulo de controle microcontrolado utilizando
o CI PIC18F2553 como dispositivo de controle e o CI ULN
2803 como interface de controle. .........................................112
Figura 5.4 - Diagrama de fluxo do módulo de análise para determinação
de arsênio em águas...............................................................114
Figura 5.5 - Fluxograma do software embarcado do módulo de análise.
.....................................................................................................117
Figura 5.6 – Sinais transientes referentes ao processamento de solução
contendo 50 µg L
-1
de As(III)................................................124
Figura 5.7 – Efeito do tempo sobre a solução de azul de metileno em
meio micelar de Triton X-100................................................125
Figura 5.8 - Efeito do tempo para desenvolvimento da reação na
magnitude do sinal analítico..................................................126
LISTA DE FIGURAS
Figura 5.9 - Efeito da concentração de azul de metileno na magnitude do
sinal analítico............................................................................128
Figura 5.10 - Efeito da concentração de Triton X-100 na magnitude do
sinal analítico............................................................................130
Figura 5.11 - Efeito do volume de NaBH
4
na magnitude do sinal analítico.
.....................................................................................................131
Figura 5.12 - Efeito da concentração de NaBH
4
na magnitude do sinal
analítico. ....................................................................................132
Figura 5.13 - Efeito do banho de gelo sobre a solução de boro-hidreto de
sódio...........................................................................................134
Figura 5.14 - Efeito do volume da amostra sobre o volume fixado dos
reagentes...................................................................................135
Figura 5.15 - Curva analítica referente ao processamento de soluções de
referência de arsênio(III).......................................................136
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 – Composição simplificada de alguns LEDs utilizados na
instrumentação analítica. .......................................................31
Tabela 2.1 – Padrão de potabilidade para substâncias químicas
inorgânicas que representam risco à saúde humana. ......39
Tabela 3.1 – Valores do estudo de efeito de matriz do íon fluoreto. ...74
Tabela 3.2 – Análise comparativa do sistema proposto com cromatografia
de troca iônica..........................................................................78
Tabela 3.3 - Figuras de mérito para o método proposto para a
determinação de fluoreto em águas. ...................................81
Tabela 4.1 – Estrutura genérica de um microcontrolador......................88
Tabela 5.1 – Estruturas químicas de espécies orgânicas de arsênio e
correspondentes valores de
a
pΚ ..........................................97
Tabela 5.2 - Classificação e características dos surfactantes de uso
comum em Química Analítica................................................104
Tabela 5.3 - Resultados do efeito da concentração de NaBH
4
nos
coeficientes angulares e equações das retas provenientes da
Figura 5.12................................................................................132
Tabela 5.4 - Valores do estudo de efeito de matriz do íon arsenito....137
Tabela 5.5 - Figuras de mérito para o método proposto para a
determinação de arsênio em águas. ....................................139
LISTA DE SIGLAS
A/D Conversor Analógico para Digital
AsB Arsenobetaína
AsC Arsenocolina
CAN Controller Area Network
CI Circuito Integrado
CMC Concentração Micelar Crítica
CPU Unidade Central de Processamento (do nome em inglês, Central Processing
Unit)
Cv Cilindro de vidro
D/A Conversor Digital para Analógico
DDP Diferença de Potencial Elétrico
DIP28 Dual In Package com 28 pinos
DMAA (V) Ácido dimetilarsínico
FAO Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação (do inglês:
Food and Agricultural Organization of United Nations)
FIA Sistemas de Análise em Fluxo (do nome em inglês: Flow Injection Analysis)
I/O Portas de Entrada e Saída (do inglês: In/Out)
ICP-AES Espectroscopia de Emissão Óptica com Acoplamento de Plasma Induzido
(do inglês: Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy)
IUPAC União Internacional de Química Pura e Aplicada (do nome em inglês:
International Union of Pure and Applied Chemistry)
LED Diodo Emissor de Luz (do nome em inglês: Light Emitting Diode)
LD Limite de Detecção
LQ Limite de Quantificação
mcd Mili candelas
MCFA Multicomutação em sistemas de Análise em Fluxo
MCU Computador em um Único Chip (do nome em inglês: MicroController Units)
MMAA (V) Ácido monometilarsônico
N/A Normalmente aberta
N/AF Normalmente aberta e normalmente fechada inversamente
N/F Normalmente fechada
NIR Infravermelho próximo (do nome em inglês: Near Infrared)
OMS Organização Mundial de Saúde
PCB Placa de circuito impresso (do inglês: Printed Circuit Board)
LISTA DE SIGLAS
PE
Polietileno [
−−−
n22
)CHCH(
]
PIC Controlador Programável por Interrupção (do nome em inglês: Programmable
Controller of Interruption)
SD Desvio padrão
PTFE
Politetrafluoretileno [
−−−
n22
)CFCF(
] ou Teflon
©
PWM Modulação por largura de Pulso (do nome em inglês: Pulse Width
Modulation)
RAM Memória Somente para Leitura (do nome em inglês : Read-Only Memory)
ROM Memória de Acesso Aleatório (do nome em inglês: Random-Access Memory)
SIA Análise por Injeção Seqüencial (do nome em inglês: Sequential Injection
Analysis)
SMD Surface Mount Devices
TTL Sinal Lógico Transistor-Transistor (do inglês: Transistor-Transistor Logic)
USB Universal Serial Bus
UV Ultra Violeta
VIS Visível
VMP Valor Máximo Permitido
LISTA DE SÍMBOLOS
A Absorbância
λ
max
Comprimento de onda de máxima absorção
C Concentração
a
pΚ
Constante de dissociação ácida
g
Grama
Hz
Hertz
h Hora
L
Litro
M
Mega
Ø Diâmetro
µ
Micro
m
Mili
n
nano
s Segundos
V Volt
W Watt
SUMÁRIO
1
O
CAPÍTULO – INTRODUÇÃO................................................................................................25
1.1
INSTRUMENTAÇÃO ANALÍTICA E SISTEMAS DE ANÁLISE EM FLUXO.... 25
1.1.1
A
ESPECTROFOTOMETRIA
..............................................................................................................30
1.1.2
LED
COMO FONTE DE RADIAÇÃO EM INSTRUMENTAÇÃO FOTOMÉTRICA
..................................30
1.2
MODALIDADES DOS SISTEMAS DE ANÁLISE EM FLUXO ............................. 32
1.2.1
M
ULTICOMUTAÇÃO EM
A
NÁLISE EM
F
LUXO
.................................................................................33
1.3
MICROCONTROLADORES NA INSTRUMENTAÇÃO ANALÍTICA .................. 35
1.4
OBJETIVOS.................................................................................................................. 36
2
O
CAPÍTULO – REVISÃO DA LITERATURA.....................................................................38
2.1
Aspectos gerais sobre águas................................................................................ 38
3
O
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO
MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO...................................................................................................41
3.1
Introdução .................................................................................................................. 41
3.2
Determinação de Fluoreto..................................................................................... 44
3.2.1
V
ERMELHO DE ALIZARINA EM REAÇÕES DE COMPLEXAÇÃO
.......................................................46
3.3
Objetivos...................................................................................................................... 47
3.4
Equipamentos e acessórios................................................................................... 48
3.5
Limpeza de materiais .............................................................................................. 49
3.6
Amostras...................................................................................................................... 49
3.7
Reagentes e soluções.............................................................................................. 50
SUMÁRIO
3.7.1
S
OLUÇÕES EMPREGADAS PARA A DETERMINAÇÃO DE FLUORETO
.............................................50
3.8
Fotômetro.................................................................................................................... 51
3.9
Interface de controle do módulo de análise ................................................... 54
3.10
Cela de fluxo............................................................................................................. 55
3.11
Módulo de aquisição de dados ........................................................................... 56
3.12
Módulo de análise................................................................................................... 57
3.13
Estratégias empregadas na determinação de fluoreto ............................. 59
3.13.1
E
STUDO DA ESTABILIDADE DO COMPLEXO ZIRCÔNIO
/
VERMELHO DE ALIZARINA
S
E
COMPRIMENTO DO REATOR HELICOIDAL
B
1
.............................................................................................60
3.13.2
C
OMPRIMENTO DO REATOR HELICOIDAL
B
2
..............................................................................60
3.13.3
E
STUDO DO VOLUME DA ZONA DE AMOSTRA
............................................................................61
3.13.4
E
STUDO DAS PROPORÇÕES ENTRE AMOSTRA E OS REAGENTES
..............................................61
3.13.4.1
Estudo dos volumes de zircônio .....................................................................................62
3.13.4.2
Estudo dos volumes de vermelho de alizarina S .....................................................62
3.13.5
E
STUDO DAS CONCENTRAÇÕES DOS REAGENTES
.....................................................................62
3.13.5.1
Estudo das concentrações de zircônio .........................................................................63
3.13.5.2
Estudo das concentrações de vermelho de alizarina S .........................................63
3.13.6
E
STUDO DO MEIO REACIONAL
.....................................................................................................63
3.13.7
E
STUDO DA FAIXA LINEAR DA REAÇÃO
......................................................................................64
3.13.8
E
STUDO DAS ESPÉCIES POTENCIALMENTE INTERFERENTES
....................................................64
3.13.9
O
UTROS ESTUDOS
........................................................................................................................65
3.13.10
P
ROCESSAMENTO DAS AMOSTRAS
............................................................................................65
3.13.11
A
DIÇÃO DE PADRÃO E RECUPERAÇÃO
......................................................................................65
3.13.12
V
ALIDAÇÃO DO PROCEDIMENTO
...............................................................................................66
3.14
Resultados e discussão......................................................................................... 66
3.14.1
E
FEITO DA ESTABILIDADE CINÉTICA DO COMPLEXO ZIRCÔNIO
/
VERMELHO DE ALIZARINA
S
E COMPRIMENTO DO REATOR HELICOIDAL
B
1
..........................................................................................67
SUMÁRIO
3.14.2
C
OMPRIMENTO DO REATOR HELICOIDAL
B
2
..............................................................................69
3.14.3
E
FEITO DO VOLUME DA ZONA DE AMOSTRA
..............................................................................70
3.14.4
E
FEITO DAS PROPORÇÕES ENTRE AMOSTRAS E OS REAGENTES
.............................................71
3.14.5
F
AIXA LINEAR DA REAÇÃO
...........................................................................................................72
3.14.6
E
FEITO DA ADIÇÃO E RECUPERAÇÃO DE FLUORETO EM AMOSTRAS DE ÁGUA
........................73
3.14.7
E
FEITO DAS ESPÉCIES POTENCIALMENTE INTERFERENTES
......................................................75
3.15
Aplicação analítica do método desenvolvido................................................ 78
3.16
Figuras de mérito.................................................................................................... 80
3.17
Conclusões ................................................................................................................ 82
4
O
CAPÍTULO – MICROCONTROLADORES........................................................................84
4.1
Introdução .................................................................................................................. 84
4.2
Microcontroladores versus Microprocessadores ........................................... 86
4.2.1
P
RINCIPAIS
C
ARACTERÍSTICAS DOS MICROCONTROLADORES
..................................................87
4.2.1.1
Conversor Analógico Digital (A/D)...................................................................................89
4.3
OBJETIVOS.................................................................................................................. 89
4.4
Equipamentos e acessórios................................................................................... 90
4.5
Interfaces microcontroladas para aplicação analítica ................................ 91
4.5.1
Módulo de aquisição de dados e interface USB........................................... 91
4.5.2
Dispositivos de controle modulado ................................................................. 92
5
O
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO
MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO...................................................................................................96
5.1
Introdução .................................................................................................................. 96
5.2
Determinação de Arsênio....................................................................................... 99
SUMÁRIO
5.2.1
C
LASSIFICAÇÃO DOS SURFACTANTES SEGUNDO SEU GRUPO HIDROFÍLICO
..........................101
5.2.2
F
ORMAÇÃO DE MEIO MICELAR PARA DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO
.........................................104
5.3
Objetivos.................................................................................................................... 107
5.4
Equipamentos e acessórios................................................................................. 107
5.5
Limpeza de materiais ............................................................................................ 109
5.6
Amostras.................................................................................................................... 110
5.7
Reagentes e soluções............................................................................................ 110
5.7.1
S
OLUÇÕES EMPREGADAS PARA A DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO
..............................................110
5.8
Fotômetro.................................................................................................................. 111
5.9
Interface de controle do módulo de análise ................................................. 112
5.10
Módulo de análise................................................................................................. 113
5.11
Testes preliminares.............................................................................................. 118
5.11.1
E
STUDO DO TEMPO DE VIDA ÚTIL DO AZUL DE METILENO EM MEIO MICELAR
.....................118
5.11.2
E
STUDO DO TEMPO PARA DESENVOLVIMENTO DA REAÇÃO
...................................................119
5.11.3
E
STUDO DA CONCENTRAÇÃO DE AZUL DE METILENO
.............................................................119
5.11.4
E
STUDO DO MEIO REACIONAL
...................................................................................................120
5.11.5
E
STUDO DO VOLUME DE
N
A
BH
4
...............................................................................................120
5.11.6
E
STUDO DA CONCENTRAÇÃO DE
N
A
BH
4
.................................................................................121
5.11.7
E
STUDO DA TEMPERATURA DA SOLUÇÃO DE BORO
-
HIDRETO
...............................................121
5.11.8
E
STUDO DA PROPORÇÃO ENTRE OS PADRÕES E REAGENTES
................................................121
5.11.9
E
STUDO DA FAIXA DE RESPOSTA LINEAR DO PROCEDIMENTO
..............................................122
5.11.10
E
STUDO DA ADIÇÃO E RECUPERAÇÃO DE
A
S
(III)
E PROCESSAMENTO DAS AMOSTRAS
..123
5.12
Resultados e discussão....................................................................................... 123
5.12.1
E
FEITO DO TEMPO DE VIDA ÚTIL DO AZUL DE METILENO EM MEIO MICELAR
.......................123
5.12.2
E
FEITO DO TEMPO PARA DESENVOLVIMENTO DA REAÇÃO
.....................................................125
5.12.3
E
FEITO DA CONCENTRAÇÃO DE AZUL DE METILENO
...............................................................127
SUMÁRIO
5.12.4
E
FEITO DO MEIO REACIONAL
....................................................................................................129
5.12.5
E
FEITO DO VOLUME DE
N
A
BH
4
................................................................................................130
5.12.6
E
FEITO DA CONCENTRAÇÃO DE
N
A
BH
4
...................................................................................131
5.12.7
E
FEITO DA TEMPERATURA DA SOLUÇÃO DE BORO
-
HIDRETO
.................................................133
5.12.8
E
FEITO DA PROPORÇÃO ENTRE OS VOLUMES DA SOLUÇÃO DE REFERÊNCIA E DOS
REAGENTES
................................................................................................................................................134
5.12.9
F
AIXA LINEAR DA REAÇÃO
.........................................................................................................135
5.12.10
E
FEITO DA ADIÇÃO E RECUPERAÇÃO DE
A
S
(III)
EM AMOSTRAS DE ÁGUA
.......................136
5.12.11
E
FEITO DE INTERFERENTES
.....................................................................................................137
5.13
Figuras de mérito.................................................................................................. 138
5.14
Conclusões .............................................................................................................. 139
REFERÊNCIAS...................................................................................................................... 142
1
o
CAPÍTULO
INTRODUÇÃO
1
o
CAPÍTULO – INTRODUÇÃO
1.1 INSTRUMENTAÇÃO ANALÍTICA E SISTEMAS DE ANÁLISE EM FLUXO
O recente desenvolvimento dos procedimentos e instrumentação analítica
tem permitido um avanço dos métodos de análise, reduzindo o tempo integral de
análise, possibilitando alcançar limites de detecção mais baixos e tornando-os mais
eficientes (GUIOCHON; BEAVER, 2004). Em virtude deste avanço tecnológico, novas
vertentes foram surgindo e passaram a ser alvo das pesquisas na atualidade. Dentre
estas, inclui-se a busca por melhor sensibilidade e a redução na geração de resíduos
(GRASSI, 2008).
Embora concebido na Dinamarca por Ruzicka e Hansen em 1975, foi em
Piracicaba-SP, Brasil, durante os anos 70, no Centro de Energia Nuclear na Agricultura
(CENA), que o Sistema de Análise por Injeção em Fluxo (FIA – do nome em inglês:
Flow Injection Analysis) foi demonstrado como uma ferramenta prática e útil de análise.
(RUZICKA; HANSEN 1998). Inicialmente, o módulo de análise era constituído por uma
bomba peristáltica, pelo dispositivo de inserção da seringa e por reator helicoidal. Uma
seringa sem agulha para coleta e inserção da alíquota da amostra no sistema de
análise. O uso da seringa perdeu a função com o surgimento de novos dispositivos para
inserção de amostra, tais como válvula rotatória (RUZICKA; HANSEN, 1975) e o injetor
comutador (BERGAMIN et al., 1978), o qual é mostrado na Figura 1.1.
26
1
o
CAPÍTULO – INTRODUÇÃO
Figura 1.1 – Injetor comutador desenvolvido por Bergamin et al., (1978).
Onde: a = pivô para locomoção da alavanca; b = borracha de vedação; c =
orifícios para encaixe dos tubos e passagem de soluções; p = parafusos de
fixação; F = parte fixa; M = parte móvel.
No fim da década de oitenta, foi proposto o emprego de válvulas solenóides
de 3 vias para manipular amostras e soluções de reagentes em sistema FIA
(MALCOLME-LAWES; PASQUINI, 1988). Até a metade da década de noventa, a
bomba peristáltica era, praticamente, o único dispositivo utilizado para bombear as
soluções em sistemas FIA, quando foi proposto o emprego de mini-bombas solenóide
(LAPA et al., 2002).
27
1
o
CAPÍTULO – INTRODUÇÃO
O funcionamento de uma mini-bomba solenóide consiste de movimentos
seqüenciados que promovem movimentos consecutivos de admissão e compressão.
Com o movimento de admissão, a solução entra no interior do cilindro através da
válvula de entrada (Ve). Com o movimento de compressão, a solução é forçada para o
interior da linha de descarga através da válvula de saída (Vs). É mostrado na Figura
1.2a é mostrado os principais componentes internos de uma mini-bomba solenóide e,
na Figura 1.2b é mostrado uma foto de uma mini-bomba solenóide utilizada para
bombear soluções em sistemas FIA.
Figura 1.2 – Ilustração
1
de mini-bomba solenóide, onde: (a) visão
componentes internos; (b) visão externa;
e
V
= válvula entrada;
s
V
= válvula
saída.
1
Ilustrações adaptadas de www.biochemfluidics.com. Disponível via acesso em 09 de janeiro 2010.
https://www.biochemfluidics.com/cart/store/comersus_listOneCategory.asp?idCategory=51
28
1
o
CAPÍTULO – INTRODUÇÃO
Na Figura 1.3 são mostrados alguns modelos de válvulas solenóides de 3
vias e válvulas solenóides de estrangulamento utilizadas em sistemas FIA.
Figura 1.3 – Válvulas solenóides
2,3
utilizadas para manipular amostras e
soluções de reagentes em sistema FIA. Onde de (1) até (4) são válvulas de
estrangulamento do tipo: única via N/A
4
; multivias N/AF
5
; única via – N/F
6
;
multivias N/AF
4
, respectivamente; e (5) e (6) válvulas de 3 vias e de isolação,
respectivamente.
2 Ilustrações adaptadas de www.biochemfluidics.com. Disponível via acesso em 09 de janeiro 2010.
https://www.biochemfluidics.com/cart/store/comersus_listOneCategory.asp?idCategory=51
3 Ilustrações adaptadas de http://www.nresearch.com. Disponível via acesso em 09 de janeiro 2010.
http://www.nresearch.com/Products/Valves/isolation-valves.html
4 N/A = normalmente aberta;
5 N/AF = normalmente aberta e normalmente fechada simultaneamente;
6 N/F = normalmente fechada.
29
1
o
CAPÍTULO – INTRODUÇÃO
Na propulsão dos fluidos em sistemas FIA, os dispositivos mais utilizados
são: bomba peristáltica em maior escala, seringas motorizadas (MAYA; ESTELA;
CERDA, 2010) e mini-bombas solenóide Lapa et al., (2002).
Segundo Ruzicka e Hansen 1998, o FIA se tornou uma importante técnica
analítica, tendo como comprovante a existência de mais que 8.000 artigos publicados
até 1998, e atualmente passa dos 17.000 artigos. Estes resultados refletem a
simplicidade de operação, a versatilidade em acomodar cada método, a eficácia do
controle temporal, a minimização do consumo de reagentes e amostras, etc. Desta
forma, estes sistemas têm sido considerados como uma das principais ferramentas
para a mecanização e/ou automação em química analítica.
O desenvolvimento de instrumentação analítica, cada vez mais sensível e
principalmente mais seletiva é de grande importância para uma melhor determinação
das espécies químicas de interesse e, conseqüentemente, para aumentar a
confiabilidade dos resultados analíticos. Os sistemas FIA, nos últimos 25 anos, têm
contribuído significativamente para o avanço da instrumentação analítica, no Brasil e no
mundo, viabilizando a implantação dos métodos de monitoramento on-line de
processos industriais, onde robustez, estabilidade por longos períodos, baixa
necessidade de manutenção, calibração automática e automação são requisitos
essenciais (RUZICKA, 1992).
A associação de um sistema de análise em fluxo construído em laboratório,
com mini-bombas solenóides, resultou em equipamento compacto, com as seguintes
vantagens: a) portabilidade (pequeno tamanho e peso), robustez (alta confiabilidade na
dispensa de volumes de reagente), baixo consumo de reagentes (amostragem discreta
dos volumes) e energia, bem como geração minimizada de efluentes. Estas
características têm tornando esses sistemas atraentes para utilização em laboratórios
(ROCHA et al.,2005).
30
1
o
CAPÍTULO – INTRODUÇÃO
1.1.1 A espectrofotometria
Os métodos espectrofotométricos podem ser considerados os mais usados
dentre todas as técnicas de análise quantitativa nos laboratórios químicos e clínicos em
todo o mundo (SKOOG; HOLLER; NIEMAN, 1998). Análises espectrofotométricas
baseadas em absorção de radiação na região do ultravioleta (UV), visível (Vis) e
Infravermelho próximo (NIR) encontram vasta aplicação para identificação e
determinação de uma grande variedade de espécies inorgânicas e orgânicas
(WEINERT, 2008). Entretanto, existem espectrofotômetros muito caros, mas a
sensibilidade depende do método e do procedimento, portanto não se deve generalizar.
O desenvolvimento dos métodos espectrofotométricos em sistemas FIA tem
se mostrado versátil em função da seletividade e sensibilidade atingidas, da facilidade
de operar etapas de separação e/ou pré-concentração em condições altamente
repetitivas (OLIVEIRA et al., 2001).
1.1.2 LED como fonte de radiação em instrumentação fotométrica
O uso dos Diodos Emissores de Luz (LED) teve sua primeira utilização na
instrumentação fotométrica há três décadas (FLASCHKA; MCKEITHAN; BARNES,
1973; BETTERIDGE et al., 1978). Desde então, tem proporcionado muitas vantagens,
especialmente para espectrofotometria de absorção molecular UV-VIS (BETTERIDGE
et al., 1978; PASQUINI; RAIMUNDO, 1984; SILVA et al., 2005; SILVA et al., 2009).
O princípio conhecido como eletroluminescência permite com que os LEDs
emitam radiação luminosa em diversas faixas de comprimento de onda, onde a
variação da faixa de emissão é função do tipo de semicondutor utilizado na dopagem
do silício. A Tabela 1.1 apresenta algumas das composições mais conhecidas da
dopagem para a produção de LEDs, e as respectivas faixas de emissão (DASGUPTA et
al., 2003).
31
1
o
CAPÍTULO – INTRODUÇÃO
Relatos dos artigos publicados ao longo dos últimos 30 anos mostram que o
uso de LED na instrumentação analítica tem sido crescente, apresentando as seguintes
características que viabilizam sua utilização, onde se destacam: pequena dimensão;
alta eficiência para a conversão de energia elétrica em radiação eletromagnética;
desprezível dissipação de calor em função do consumo de energia; vida útil longa (≈
100.000 h); e, resposta rápida, uma vez que não necessita esquentar para emitir
radiação.
Tabela 1.1 – Composição simplificada de alguns LEDs utilizados na
instrumentação analítica.
Tonalidade (luz) Composição
λ
max
(
nm
) Banda Emissão (
nm
)
Azul GaN 435; 482 418 – 510
Verde GaP 565 548 – 576
Vermelho GaAsP 655 643 – 667
Infravermelho GaAs 940 929 – 978
FONTE – Relatos literários de Dasgupta et al., 2003(
7
)
Neste sentido, diversos grupos de pesquisas têm se dedicado ao
desenvolvimento de protótipos de equipamentos que, em muitos casos, apresentam
desempenho compatível aos fotômetros comerciais (DASGUPTA et al., 2003;
FONSECA; RAIMUNDO, 2004). Na Figura 1.4 é mostrada em corte a estrutura interna
de um LED do tipo utilizado em instrumentação analítica.
7
DASGUPTA, P. K.; EOM, I.; MORRIS, K. J.; LI, J. Light emitting diode-based detectors
Absorbance, fluorescence and spectroelectrochemical measurements in a planar flow-through cell.
Analytica Chimica Acta, Inglaterra, v.500, 2003, p. 337–364.
32
1
o
CAPÍTULO – INTRODUÇÃO
Figura 1.4 – Vista em corte de um LED.
1.2 MODALIDADES DOS SISTEMAS DE ANÁLISE EM FLUXO
Ao longo do tempo, outras modalidades do processo de análise em fluxo
foram desenvolvidas, e são conhecidas pelas seguintes denominações: Análise por
Injeção Seqüencial (SIA – do nome em inglês: Sequential Injection Analysis)
desenvolvida por Ruzicka e Marshall em 1990 (RUZICKA; MARSHALL, 1990);
Multicomutação em Análise em Fluxo (MCFA) desenvolvida por Reis et al., (1994),
Sistemas Multiseringas desenvolvida por Cerda et al., (1999) [apud DIAS, 2006, p. 1]
8
e
o Sistema de Multi-impulsão desenvolvido por Lapa et al., (2002) [apud
DIAS, 2006, p. 1]
9
.
8
CERDA, V.; ESTELA, J. M.; FORTEZA, R.; CLADERA, A.; BECERRA, E.; ALTIMIRA, P.; SITJAR, P.
Flow techniques in water analysis, Talanta, Amsterdam, v. 50, p. 695-705, 1999.
9
LAPA, R. A. S.; LIMA, J. F. C.; REIS, B. F.; SANTOS, J. L. M.; ZAGATTO, E. A. G. Multi-pumping in
flow analysis: concepts, instrumentation, potentialities, Analytica Chimica Acta, Amsterdam, v. 466,
p. 125-132, 2002.
33
1
o
CAPÍTULO – INTRODUÇÃO
1.2.1
Multicomutação em Análise em Fluxo
O processo de multicomutação e amostragem binária, proposto em 1994 por
Reis et al., (1994) tem como conceito básico a inserção seqüencial de pequenas
alíquotas das soluções de amostra e de reagentes no percurso analítico. Segundo
esses autores, o módulo de análise é constituído por um conjunto de válvulas
solenóides, as quais sob o controle de um computador, funcionam com unidades de
comutação discreta. Em função do software de controle, a forma de funcionamento do
módulo de análise pode ser alterada, sem mudança na estrutura física do mesmo.
Conforme mostra a Figura 1.5, as alíquotas de amostras e de reagentes são inseridas
no percurso analítico de forma alternada, sendo que o volume de cada alíquota e a
ordem de inserção são definidas por software. Esta ferramenta permitiu a manipulação
de várias soluções de reagente, empregando apenas um canal de bombeamento,
possibilitando as determinações seqüenciais de níquel, ferro e cromo em ligas de aço
(REIS et al., 1995); amônio e fosfato em digerido de plantas (KRONKA; REIS;
BERGAMIN, 1996). Em ambos os casos, não houve a necessidade de se alterar a
estrutura física do módulo de análise.
Figura 1.5 – Modelo de inserção seqüencial de alíquotas das soluções de
amostra e reagentes conforme do processo de multicomutação em fluxo
proposto por Reis et al., (1994). Onde I, II e III representam o número de
inserções seqüenciais.
34
1
o
CAPÍTULO – INTRODUÇÃO
O processo de MCFA permite a inserção seqüencial de pequenas alíquotas
da amostra e das soluções de reagentes no percurso analítico, portanto a reação
química para produzir o composto a ser detectado, tem início durante a amostragem.
Situação esta que não é viabilizada pelos sistemas FIAs usuais, onde o reagente é
adicionado à amostra após sua inserção no percurso analítico. Em princípio, em um
módulo de análise baseado no processo MCFA, há um melhor aproveitamento do
tempo, o que pode resultar em um aumento da velocidade analítica (REIS et al., 1997).
Em complemento a isto, a MCFA tem se destacado, principalmente por sua
facilidade na manipulação de pequenos volumes das alíquotas e das soluções dos
reagentes e das amostras, com boa precisão. Volume na ordem de 5 µL é
perfeitamente viável, tendo como impacto favorável à diminuição do consumo de
reagentes. Por esse motivo, o processo MCFA é caracterizado pelo baixo consumo de
reagente, alta freqüência de amostragem, versatilidade, etc. Outro fator importante, é
que as reações ocorrem em um ambiente fechado, o que diminui o risco de
contaminação, tal qual um sistema FIA usual.
O processo de multicomutação em fluxo possibilita a automação de
metodologias analíticas envolvendo diferentes técnicas de detecção, onde o
computador pode ser programado para realizar a tomada de decisão a partir da
avaliação do resultado obtido durante o processamento da amostra, por exemplo, variar
o volume das alíquotas da amostra e da solução do reagente (SILVA, 2008).
Segundo a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC – do
nome em inglês: International Union of Pure and Applied Chemistry), o conceito de
automação, em química analítica, é definido como: o uso da combinação de mecânica e
instrumental com a capacidade de substituir, refinar, ou complementar o esforço
humano, em um determinado processo, onde, em pelos menos em uma das etapas, a
tomada de decisão é realizada sem a intervenção humana em função da alteração de
algum parâmetro do procedimento (KINGSTON; KINGSTON, 1994).
Os processos MCFA têm sido empregados de modo a desenvolver
procedimentos analíticos que atendam a definição de conceito de automação
estabelecido pela IUPAC. Processos baseados em titulação fotometria empregando o
35
1
o
CAPÍTULO – INTRODUÇÃO
conceito de procura binária foram desenvolvidos de acordo com esta definição (KORN
et al., 1995; MARTELLI et al., 1999). Nestes sistemas, após a programação do
computador, todas as decisões de controle das etapas foram realizadas sem
intervenção do operador.
Em complemento as definições e conceitos apresentados sobre MCFA, as
mini-bombas solenóide integram no mesmo dispositivo a unidade de propulsão de
fluído e comutação. Estas propriedades permitem a miniaturização do módulo de
análise, já que, o fluxo pulsado, característico das mini-bombas solenóide, tem sido
estudado no sentido de permitir uma melhor condição de mistura, tendo em vista que
cada mini-bomba solenóide libera um volume fixo de solução, cerca de 8µL para cada
pulso de corrente elétrica aplicado (DIAS et al., 2007).
As mini-bombas solenóide têm sido empregadas para desenvolver
procedimentos analíticos de baixo consumo de reagentes (LAVORANTE, 2006). O
módulo de análise baseado em mini-bombas solenóide tem estrutura semelhante ao
baseado em válvulas solenóide. A forma de funcionamento é semelhante. Uma vez que
em sistemas MCFAs usuais, o volume de cada alíquota de solução inserida no percurso
analítico é função da vazão de bombeamento e do tempo de permanência da válvula
ligada, no emprego de mini-bombas solenóide, o volume da alíquota é proporcional ao
número de pulsos elétricos aplicados à mini-bomba.
1.3 MICROCONTROLADORES NA INSTRUMENTAÇÃO ANALÍTICA
A utilização de microcontroladores na construção de aparelhos utilizados em
instrumentação analítica tem sido uma ótima alternativa para o desenvolvimento de
equipamentos de pequena escala e portáteis. Autores como Cantrell e Ingle (2003),
Silva et al., (2005), Araújo et al., (2008) e Veras et al., (2009), têm desenvolvido
fotômetros de baixo custo (cerca de U$ 30,00) com aplicação analítica. Estes autores
36
1
o
CAPÍTULO – INTRODUÇÃO
determinaram corantes alimentícios como tartrazina, amarelo crepúsculo, azul brilhante
entre outros; e a adulteração de gasolina em cidades brasileiras.
Segundo Silva et al., (2005) o uso de um microcontrolador, Microchip
®
, da
série PIC 16F877 (Controlador Programável por Interrupção, do nome em inglês:
Programmable Controller of Interruption) permitiu a aquisição automática de sinais
dispensando o uso de um computador, apresentando características compatíveis aos
equipamentos de grande porte, além se ser portátil, o que facilita a realização de
análises químicas de campo.
1.4 OBJETIVOS
Neste trabalho, tem-se como objetivo o desenvolvimento de instrumentação
e procedimentos analíticos para a determinação espectrofotométrica de arsênio e
fluoreto em águas servidas para consumo humano. Para isso, desenvolveu-se
fotômetro para determinação fotométrica, módulos de análise empregando válvulas
solenóide e mini-bombas solenóide, e procedimentos analíticos automáticos
microcontrolados empregando o processo de multicomutação em fluxo. Tendo em vista
que os métodos para determinação os dois analitos são distintos, a instrumentação
analítica empregada será desenvolvida em função de cada metodologia, então os
mesmos serão apresentados separadamente.
CAPÍTULO 2
REVISÃO DA LITERATURA
2
o
CAPÍTULO – REVISÃO DA LITERATURA
2.1 Aspectos gerais sobre águas
A contaminação de corpos de água, utilizados para o abastecimento
humano, por elementos que podem ser nocivos ou prejudiciais aos organismos e
plantas, podem ocorrer pela atividade humana ou, também, pelo contado prolongado
com rochas enriquecidas com elementos nocivos (PANAGOULIAS; SILVA, 2002).
A contaminação dos corpos d’água servidos para consumo humano é um
problema global, que afeta tanto países ricos e como pobres, mas, de modo geral, são
os países subdesenvolvidos os mais afetados. De acordo com a Organização das
Nações Unidas para Agricultura e Alimentação (FAO), mais de um bilhão de pessoas,
ou seja, quase um quinto da população mundial não têm acesso à água potável, e 40
por cento não têm acesso ao saneamento básico (WEST, 1992).
Segundo Motta(1993), a água destinada para o consumo humano deve
atender a certos requisitos de qualidade, os quais variam de acordo com diferentes
realidades. Naturalmente, a água contém impurezas que podem ser caracterizadas
como: de ordem física, química ou biológica. Os teores dessas impurezas devem ser
limitados até um nível não prejudicial ao ser humano, sendo estabelecidos pelos órgãos
de saúde pública, com padrões de potabilidade.
No Brasil, a Portaria 36/1990 e mais recentemente a portaria 518/2004 do
Ministério da Saúde define os padrões de potabilidade da água com base nas
exigências da Organização Mundial de Saúde (OMS), bem como os padrões de
monitoramento de sua qualidade. Nesta portaria, é definida como potabilidade da água
o conjunto de valores máximos permissíveis das características de qualidade da água
destinada ao consumo humano (BRASIL, 1990 p. 02; 2000); (BRASIL, 2000 p. 03;
2004).
39
2
o
CAPÍTULO – REVISÃO DA LITERATURA
No artigo décimo quarto da Portaria 518/2004 do Ministério da Saúde, é
estabelecida a potabilidade da água em conformidade aos padrões das substâncias
químicas que representam risco para a saúde, expresso conforme Tabela 2.1, a seguir:
Tabela 2.1 – Padrão de potabilidade para substâncias químicas inorgânicas
que representam risco à saúde humana.
PARÂMETRO UNIDADE VMP
(10)
Antimônio µg L
-1
5,0
Alumínio mg L
-1
0,2
Arsênio
mgL
-1
0,01
Bário mg L
-1
0,7
Cádmio µg L
-1
5,0
Cianeto mg L
-1
0,07
Chumbo mg L
-1
0,01
Cobre mg L
-1
2
Cromo mg L
-1
0,05
Ferro mg L
-1
0,3
Fluoreto
(11)
mg L
-1
1,5
(12)
Mercúrio µg L
-1
1,0
Nitrato (como N) mg L
-1
10
Nitrito (como N) mg L
-1
1
Selênio mg L
-1
0,01
Fonte: Portaria 518/2004 do Ministério da Saúde.
10
Valor máximo permitido.
11
Os valores recomendados para a concentração de íon fluoreto devem observar à legislação
específica vigente relativa à fluoretação da água, em qualquer caso devendo ser respeitado o VMP
desta Tabela.
12
Valor dependente da temperatura média anual de cada município.
3
o
CAPÍTULO
DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM
ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO
EM FLUXO
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS
EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
3.1 Introdução
A fluoração de águas para abastecimento humano é considerada uma ação
de interesse coletivo, pois tem efeito benéfico para a Saúde Pública, tendo em vista sua
ação na prevenção da cárie dentária. A Organização Mundial de Saúde (OMS) sugere o
consumo de águas com o teor de flúor entre 0,7 a 1,2
mg L
-1
, dependendo da
temperatura média anual (FAWELL, et al., 2006; WHO, 2008). Para o Brasil, por se
tratar de um país de clima tropical, a OMS recomenda concentrações de fluoreto em
águas próximo a 0,8 mg L
-1
. Atualmente, íons fluoreto são largamente utilizados na
manutenção da saúde bucal, sendo também considerado um micronutriente essencial,
com concentração recomendada para ingestão está compreendida na faixa de 0,05 a
0,07 mg kg
-1
de peso corporal.
Em casos de ingestão, o consumo elevado de flúor pode provocar patologias
como a fluorose dentária e óssea (WANG et al., 2009). Segundo Peixoto (1998),
concentrações de fluoreto entre 2 e 3 mg L
-1
em água potável causam escurecimento
dos dentes, e em concentração acima de 50 mg L
-1
pode causar intoxicação. A ingestão
de 150 mg de NaF pode causar náuseas, vômitos, diarréia e dores abdominais agudas.
No mesmo sentido, relatos de pesquisas realizadas em mamíferos demonstraram que a
ingestão excessiva de NaF pode diminui a qualidade espermática de animais de
pequeno e médio porte (PUSHPALATHA; SRINIVAS; SREENIVASULA, 2005; CHINOY
et al., 1997; FILAPPI et al., 2008).
42
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
A fluorose dentária é provavelmente tão antiga quanto à raça humana. Isto
porque, dentes com manchas escuras e desfiguradas foram encontrados em crânios
com milhares de anos de idade. Todavia os primeiros relatos da literatura científica são
datados de uma centena de anos atrás (FEJERSKOV et al.,1994). Esta patologia se
caracteriza por uma alteração na estrutura do esmalte dentário, provocada pela
intoxicação sistêmica de fluoreto, durante a fase de formação do esmalte, sendo desta
forma uma alteração de caráter irreversível (ANZAI, 2003). A Figura 3.1 apresenta foto
desta patologia em seu estágio inicial (a) e avançada (b), caracterizada pela manchas
brancas distribuídas ao longo do esmalte dentário.
Figura 3.1 – Fotos da patologia fluorose dentária; (a) estágio inicial; (b)
estágio avançado. Caracterizadas pelas manchas brancas distribuídas ao logo
dos esmaltes dentários.
O fluoreto é um elemento que ocorre naturalmente nas águas, onde
geralmente ocorre em pequenas quantidades, originando-se das intempéries dos
minerais dos quais ele é um dos elementos (KOMATI, 2008). Os fatores que controlam
a concentração de flúor nas águas naturais são: temperatura, pH, presença ou
ausência de íons colóides complexantes, solubilidade dos minerais que contém flúor,
tamanho e tipo das formações percoladas pelas águas, e o tempo de contado das
águas com uma formação em particular (AMPABIRE; BOYLE; MICHEL,1997).
A concentração de fluoreto em águas naturais pode variar de 0,0 a 4,4 mg L
-1
em função do tipo de rocha que essas águas mantêm contado, podendo causar
fluorose severa. Estudo geoquímico realizado no Estado de São Paulo em 2008,
constatou teores elevados de fluoreto em águas subterrâneas em municípios como:
Amparo, Araçatuba, Campinas, Cesário Lange, Ibitinga, Jaboticabal, Lins, Paraguaçu
(a) (b)
43
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Paulista, Piracicaba, Presidente Prudente, Ribeirão Preto, São João da Boa Vista,
Sorocaba e Tuiuti (KOMATI, 2008).
Segundo Komati, 2008, foram encontrados casos de fluorose dental
moderada e/ou severa nos municípios de Amparo, Bebedouro, Campinas, Itapirapuã
Paulista, Itatiba, Jaboticabal, Mairiporã, Paulínia, Pedreira, Piracicaba, Rosana, Santos,
Sertãozinho, Sorocaba, São José do Rio Preto, São Paulo, Taboão da Serra e Várzea
Paulista.
Por outro lado, autores como Newbrun (1988)
13
, Cury (1992)
14
e Pinto
(2000)
15
, realizaram estudos em comunidades cujo sistema de abastecimento de água
potável disponibilizava água fluorada em níveis ideais para ingestão, sem interrupções,
concluíram que a presença de fluoreto tem ajudado a reduzir os níveis de cárie entre 50
a 60% [apud Toassi et al., 2007]. Um paradigma da realidade brasileira é apresentado
por Bellé et al., (2009), pois, uma vez que o Brasil já alcançou os índices preconizados
pela OMS em relação ao índice de cárie aos 12 anos, a cárie dentária ainda é
considerada um problema de saúde pública nacional.
A primeira cidade do mundo a implantar um sistema de fluoração de águas
foi o município de Grand Rapids, nos Estados Unidos, em 1945, produzindo reflexos
positivos na saúde pública (TOASSI et al., 2007). Posteriormente, programas de
fluoração das águas servidas para consumo humano foram estabelecidos em 40
países, atingindo mais de 200 milhões de pessoas. No Brasil, a fluoração de águas teve
início em 1953, em Baixo Guandu, no Espírito Santo, e tornou-se obrigatória por meio
da Lei 6.050 e do Decreto 76.872 de 1975 (PAULETO; PEREIRA; CYRINO, 2004).
13
CURY, J. A. Fluoretação da água: benefícios, riscos e sugestões. Revista Odontológica do
Brasil-Central, Goiânia, v. 2, 1992, p. 32-33.
14
NEWBRUN E. Cariologia, 2ª Edição, Editora Santos, São Paulo, 1998.
15
PINTO VG. Saúde bucal coletiva. 4ª ed. São Paulo, Editora Santos; 2000.
44
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
3.2 Determinação de Fluoreto
Muitos procedimentos para determinação de fluoreto em águas têm sido
propostos empregando espectrofotometria (CARDWELL; CATTRAL, MITRI, 1988;
SÃNDULESCU et al., 1996; FARAJ-ZADEH; KALHOR, 2001; CARDWELL; CATTRAL,
MITRI, 1994), extração em fase sólida (GARRIDO et al., 2002; MENON et al., 2006),
cromatografia de troca iônica (JONES, 1992; MOSKVIN; KATRUZOV; NIKITINA, 1998),
eletroforese capilar (HOOP, et al., 1996), fluorescência atômica (MATSUNAGA et al.,
2006; YANG et al., 2009), espectroscopia de emissão óptica com acoplamento de
plasma induzido (KOVÁCS et al., 2009), potenciometria (HOOP, et al., 1996; NOLLET,
2006), etc.
Os métodos espectrofotométricos para determinação de fluoreto
normalmente são indiretos, onde o íon fluoreto retira o metal da estrutura metal/ligante
da estrutura do complexo colorido. Baseados neste tipo de interação, tais métodos são
normalmente simples e convenientes, devido à relativa rapidez com que ocorre a
reação para a formação do novo complexo, normalmente incolor, dependendo do meio
reacional. Dentre os complexos da estrutura metal/ligante, que reagem com fluoreto,
encontrados na literatura, temos o complexo de ferro(III)/salicilato de metila
(SÃNDULESCU et al., 1996), e os complexos de metais e alizarina, como: zircônio
(MEYLING; MEYLING, 1963; CARDWELL; CATTRAL, MITRI, 1988; CARDWELL;
CATTRAL, MITRI 1994), lantânio (XU et al., 2004); alumínio (SATHISH, et al., 2007),
entre outros.
Sãndulescu et al., (1996), determinaram indiretamente o íon fluoreto
presente em creme dental por espectrofotometria. Os autores utilizaram o complexo de
coloração vermelho-violeta formado entre Ferro (III) e salicilato de metila, onde o
fluoreto presente em solução retirava o Ferro (III) do complexo colorido, formando o
complexo incolor
−3
6
]FeF[
. O complexo colorido foi monitorado a 525 nm, utilizando uma
cela com 10 mm de caminho óptico. Na avaliação destes autores, o procedimento
apresentou resposta linear na faixa de 0,01 a 0,08 mg mL
-1
de NaF e concluíram que o
45
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
método apresentava boa precisão (100,16 ± 2,33%) quando comparado com outros
métodos analíticos.
Cardwell, Cattral e Mitri (1994), propuseram a determinação
espectrofotométrica (
λ
= 520 nm) de fluoreto em águas empregando um procedimento
FIA. Estes autores utilizaram como agente colorimétrico o complexo vermelho de
zircônio/alizarina em meio ácido. Foi empregada uma etapa de difusão gasosa para
contornar os principais interferentes. A tolerância aos íons Fe (III) e Al (III), ditos como
principais interferentes, chegou a 500 e 200 vezes a concentração de fluoreto,
respectivamente. Segundo os autores, foi obtiveram resposta na faixa linear de 0,1 a
10,0 mg L
-1
de NaF, limite de detecção de 0,055 mg L
-1
e detecção quantificação de
0,18 mg L
-1
.
Faraj-Zadeh e Kalhor (2001), também desenvolveram um novo método de
determinação indireta de fluoreto em águas naturais empregando extração em fase
sólida e determinação espectrofotométrica. Os autores utilizaram como estrutura de
extração uma coluna de sílica quimicamente modificada, onde acumulavam inicialmente
oxinato de alumínio. Posteriormente, água contendo fluoreto passava pela coluna e o
fluoreto trocava com o oxinato de alumínio, liberando-o em solução, o qual em meio
tampão acetato e etanol era monitorado a 375 nm. Segundo os autores, a faixa de
resposta linear situava entre 0,1 a 2,0 µg mL
-1
de NaF e o limite de detecção foi de
80 ng mL
-1
.
Garrido et al., 2002 propuseram um método simples para a determinação de
fluoreto em águas por florescência. O método era baseado na fluorescência do
complexo de Zr(IV)/quercitina quando o íon fluoreto está presente na amostra. Os
autores utilizaram uma coluna de resina de troca iônica fortemente ácida (Dowex 50W
X8) para a remoção de alumínio das amostras e integraram dois sistemas FIA para
preparar as amostras de água e os padrões de fluoreto. Na avaliação destes autores, a
faixa linear situava-se entre 0,1 a 3,0 µg mL
-1
de NaF com (r = 0,999) e limite de
detecção de 0,06 µg mL
-1
. Relataram, também, que seu método apresentou desvio
padrão de 2,5%, freqüência analítica de 52 determinações por hora e freqüência de
preparo de 10 amostras por hora.
46
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
3.2.1 Vermelho de alizarina em reações de complexação
O 1,2 dihidoxiantraquinona-3-sulfonato de sódio, também denominado
vermelho de alizarina S (VAS) ou alizarina S, pertence ao grudo dos corantes
hidroxiantraquinonas. Em sua forma monossódica (cristalina), o VAS apresenta
coloração amarelo-alaranjado com boa solubilidade em água e etanol. Apresenta
1
a
pΚ
= 5,39 e
2
a
pΚ
= 10,72 a 25ºC (UENO; IMAMURA; CHENG, 1992).
Segundo Parissakis e Kontoyannakos (1963), zircônio (Zr) reage com
Alizarina S a 25ºC, formando um complexo de estrutura metal/ligante, tendo duas
bandas de absorção, uma a 420 nm e a outra a 520 nm. Estudos posteriores realizados
por Zittel e Florence (1967), apresentam três prováveis estruturas em função do pH,
onde: a primeira pode existir em soluções fortemente ácidas; a segunda sendo a mais
provável para um pH moderado, em meio acetato, com pH próximo a 5,5; e, a terceira
para valores de pH superiores a 10,5. A Figura 3.2 representa as fórmulas estruturais
do complexo zircônio/vermelho de alizarina S em função do pH.
Figura 3.2 – Fórmulas estruturais do complexo de zircônio/ vermelho de
alizarina S existentes em função do pH. Onde: (a) para meio fortemente ácido;
(b) para meio moderado; e, (c) para meio alcalino.
47
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Os íons fluoreto presente em solução aquosa retiram o metal da estrutura do
complexo metal ligante formando o complexo incolor. O método selecionado para
desenvolver o procedimento analítico foi baseado na reação do íon fluoreto com o
zircônio presente no complexo zircônio/vermelho de alizarina S, o qual tem como
característica a redução da absorção de radiação do complexo em 525 nm
(CARDWELL; CATTRAL, MITRI, 1988 e 1994). Segundo estes autores, o íon fluoreto
presente em água retira o zircônio do complexo colorido de Zr/VAS formando um
octaedro regular de [ZrF
6
]
–
em meio ácido. A reação de determinação indireta dos íons
fluoreto pela remoção do zircônio presente no complexo zircônio/vermelho de alizarina
S é apresentada na Figura 3.3
Figura 3.3 – Reação entre os íons fluoreto e o zircônio presente no complexo
zircônio/vermelho de alizarina S para a formação fluoreto de zircônio.
3.3 Objetivos
No presente trabalho, foi proposto o desenvolvimento de instrumentação e
procedimento analítico automático para a determinação fotométrica de fluoreto em
águas. Visando a miniaturização do sistema, a minimização do consumo de reagentes
e a redução do volume de efluente gerado, o módulo de análise e o detector fotométrico
48
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
foram integrados na mesma unidade, e o procedimento analítico foi implementado
empregando MCFA (REIS et al., 1995; REIS et al., 1997).
A seguir, são descritos o desenvolvimento de instrumentação de
procedimentos automáticos para a determinação de fluoreto em águas servidas para
consumo humano empregando multicomutação em fluxo e determinação fotométrica.
3.4 Equipamentos e acessórios
Para o desenvolvimento da instrumentação e procedimentos automáticos
para a determinação das espécies químicas de interesse desse trabalho, empregando
multicomutação em fluxo e detecção fotométrica, utilizou-se os seguintes materiais e
acessórios:
•
Vidrarias de aferição classe A;
•
Micropipetas de 20-200 µL, 100-1000 µL, 1000-5000 µL (Nichiryo
, modelo
Nichipet EX, Japão);
•
Balança analítica (Mettler-Toledo
, modelo AX304, Portugal);
•
Banho de ultra-som (Thornton
, Brasil);
•
Espectrofotômetro (Femto
, modelo 700 plus, Brasil) com faixa espectral 195
a 1100
nm
e largura de banda de 5
nm
;
•
Espectrofotômetro de varredura multicanal (Ocean Optics
, USB2000,
Estados Unidos), com 2048 canais linhas, para medição da banda de
radiação dos LEDs de auto-brilho para as determinações fotométricas;
•
Tubos de polietileno (PE) de diâmetro interno (d. i.) 0,8 mm foram utilizados
para a confecção das linhas de fluxo.
•
Uma fonte simétrica estabilizada (+12 e –12 Volts) foi utilizada para
alimentação do fotômetro.
49
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
•
Uma fonte estabilizada 12 Volts, corrente de 1 A para alimentar as mini-
bombas solenóides.
•
Uma interface digital baseada no circuito integrado ULN2803A, empregada no
acionamento das mini-bombas solenóides através da porta paralela do
computador.
•
Mini-bombas solenóides (BIO-CHEM FLUIDICS
), com vazão de 8 µL por
pulso;
•
Fotodetector o CI OPT301, (Burr-Brown
Instruments, modelo hermético TO-
99), com resposta espectral na faixa de 300 a 950 nm;
•
Multímetro digital (Minipa
, modelo ET-2231) com saída serial RS-232;
3.5 Limpeza de materiais
Todos os materiais utilizados para o preparo das soluções foram lavados
conforme seqüência apresentada a seguir: deixados imerso em solução 1:10 (v/v) de
detergente Neutro livre de fósforo (SPLL
), por 30 minutos; 5 enxágües com água
corrente; banho ácido com solução de ácido clorídrico com diluição 1:4 (v/v) com água
destilada; 5 enxágües com água destilada e deionizada. As vidrarias não volumetrias
eram secas em estufa a 60 ºC, por uma hora e as volumétricas à temperatura ambiente.
Nos casos de vidrarias especiais como balões volumétricos e pipetas, um banho de
ultra-som e solução SPLL
por 15 minutos no início da etapa.
3.6 Amostras
As amostras (água potável) foram coletadas em diversos pontos da cidade
de Piracicaba-SP. Após a coleta, foram filtradas utilizando filtro 0,42 µm (Whatman)
50
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
para remoção dos sólidos em suspensão e estocadas em frasco âmbar à temperatura
de 4ºC. Antes de serem processadas, as amostras eram acondicionadas de modo a
atingir temperatura ambiente, e processadas no mesmo dia.
3.7 Reagentes e soluções
Para o desenvolvimento dos diversos procedimentos analíticos descritos
neste trabalho, todas as soluções foram preparadas com água destilada e deionizada
com condutividade elétrica menor do que 0,1 µScm
-1
, utilizando reagentes de grau
analítico com pureza superior a 99,5 % (Merck, Sinth, Fluka, Carlos Erba).
3.7.1 Soluções empregadas para a determinação de fluoreto
•
Solução-padrão estoque de fluoreto 1000 mg L
-1
, preparada dissolvendo 0,2639
g de fluoreto de sódio (NaF) em água e completando o volume para 100 mL.
•
Solução-estoque zircônio 0,5 mmol L
-1
, preparada dissolvendo previamente
0,0885 g de Oxicloreto de Zircônio (IV) octahidratado (ZrOCl
2
. 8H
2
O) em 10 mL
de água, adicionando-se 2 mL de HCl e 1 mL de H
2
SO
4
concentrados. O volume
foi completado para 500 mL com água.
•
Solução-estoque alizarina S 3,14 mmol L
-1
, preparada dissolvendo 0,3773
g
de
vermelho de alizarina S sal monossódico (C
14
H
7
O
7
SNa) em 500
mL
de água.
•
Solução-padrão estoque de ferro(III) 1000 mg L
-1
, preparada dissolvendo-se
0,4841 g de cloreto de ferro(III) hexa-hidratado (FeCl
3
. 6H
2
O) em água e
completando o volume para 100 mL.
51
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
•
Solução-padrão estoque de alumínio 1000 mg L
-1
, preparadas dissolvendo-se
0,8941 g de cloreto de alumínio hexa-hidratado (AlCl
3
. 6H
2
O) em água e
completando o volume para 100 mL.
•
Solução-padrão estoque de fosfato 1000 mg L
-1
, preparadas dissolvendo-se
0,1560 g de fosfato de sódio monobásico di-hidratado (H
2
NaPO
4
. 2H
2
O) em
água e completando o volume para 100 mL.
•
Solução-padrão referência de fluoreto 10,0 mg L
-1
, previamente preparada a
partir da solução estoque de 1000 mg L
-1
.
•
Solução-padrão referência de fluoreto de 0,0 a 5 mg L
-1
de NaF, preparados por
diluição da solução estoque de fluoreto 10,0 mg L
-1
acima.
•
As soluções de trabalho de vermelho de alizarina S (2,07 mmol L
-1
) e zircônio
(IV) (0,25 mmol L
-1
), preparadas por diluição na proporção 1:1 (v/v) com água
destilada a partir da solução estoque.
•
As soluções para potencial interferência de ferro(III) contendo 0,1; 10,0 e 50,0
mg L
-1
de Fe
3+
, preparadas por diluição a partir da solução estoque de
1000 mg L
-1
.
•
As soluções para estudo de potencial interferência do alumínio contendo 0,2; 0,5
e 5,0 mg L
-1
de
+
3
Al
, preparadas por diluição a partir da solução estoque
1000 mg L
-1
.
•
As soluções para potencial interferência de fosfato contendo 0,2; 0,5; 5,0 e
10,0
mg
1
L
−
de
−4
PO
foram preparadas por diluição a partir da solução estoque.
3.8 Fotômetro
O fotômetro desenvolvido neste estudo, utilizou como fotodetector o CI
OPT301, com resposta espectral na faixa de 300 a 950 nm. Este dispositivo
apresentava embutido em um único chip, todo o circuito eletrônico de transdução do
sinal luminoso em diferença de potencial, ganho e amplificação de sinal, necessários
52
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
para gerar os sinais transientes obtidos nos estudos realizados. A arquitetura interna do
fotodetector OPT301 e a montagem do fotômetro é apresentada na Figura 3.4.
Segundo Dasgupta et al., (2003), este CI apresenta algumas características
interessantes para instrumentação analítica, tais como: alta performance (0,47 A/W),
baixo ruído durante a leitura de escuro (1mV) e janela de quartzo de 2,29 x 2,29 mm.
53
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Figura 3.4 – Diagrama eletrônico, embutido em um único chip, do sistema
fotométrico utilizando o CI OPT301
16
como fotodetector. Onde:
λ
= entrada de
radiação proveniente do LED (
λ
= 525 nm); pinos: 1 = entrada de tensão
(+12V); 2 = não utilizado; 3 = entrada de tensão (-12V); 4 = referência interna;
5 = saída de sinal; 6 = não utilizado; 7 = não utilizado; 8 = comum.
16
Componente eletrônico produzido pela Burr-Brown Corporation. Integrated photodiode and amplifier,
1994, Tucson, 12 f.
54
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
3.9 Interface de controle do módulo de análise
As mini-bombas funcionam com uma diferença de potencial de 12 V e
intensidade de corrente da ordem de 200 mA. Os sinais de controle enviados pelo
computador através da porta paralela tem diferença de potencial entre 3 e 5 V e
intensidade de corrente de alguns miliampéres, portanto é necessário empregar uma
interface de potência para fazer a compatibilização. A Figura 3.5 apresenta o diagrama
da interface empregada para esta finalidade.
Figura 3.5 – Ilustração do módulo de controle utilizando o CI ULN 2803
conforme descrito por Ródenas-Torralba, et al., (2006). Onde: P
1
a P
9
são mini-
bombas solenóides, DB25 corresponde à saída paralela computador.
55
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
3.10 Cela de fluxo
A cela de fluxo de longo caminho óptico, tendo 60 mm de comprimento,
desenvolvida para este projeto é mostrada na Figura 3.6. Na cela foram incorporados
dois cilindros de vidro (Cv) que funcionam como guia de onda, facilitando a chegada da
luz emitida pelo LED até o detector, após ter percorrido o caminho óptico. O empregou
de um LED de alto brilho (
λ
= 525 nm, intensidade 10.000 mili candelas, mcd ) permitiu
o uso da cela de fluxo com caminho óptico 5 vezes maior do que o usual em
equipamento comercial. A geometria cilíndrica dos guias de onda permite melhor
aproveitamento do feixe de radiação, pois minimiza as perdas por espalhamento, que
ocorrem nas celas de fluxo em formato de “U” quadrado, Morales-Rúbio et al., (2007).
Do mesmo modo, para um melhor aproveitamento dos sinais transientes, a cela de
fluxo foi instalada na posição vertical com o objetivo de evitar a retenção de pequenas
bolhas que possam surgir na linha de fluxo.
56
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Figura 3.6 – Vista lateral da cela de fluxo de longo caminho óptico montada
no laboratório. Onde: Cv = cilindro de vidro; Tv = Tubo de vidro com 3 mm de
diâmetro interno, caminho óptico L = 60 mm e volume interno de 423 µL; PVC =
Bloco de cloreto de polivinila; O = anel de borracha; b = junta de borracha; E =
entrada de fluxo; S = saída de fluxo; LED = diodo emissor de luz,
λ
= 525 nm;
D = distância caminho óptico.
3.11 Módulo de aquisição de dados
O sinal analítico, depois de condicionado pelo sistema eletrônico de detecção
foi monitorado por um multímetro digital, e a leitura digitalizada era encaminhada, via
comunicação serial RS-232, a um computador. Nesta etapa, o software escrito em
linguagem QuickBasic 4.5, em plataforma MS-DOS 6.0, fazia o tratamento dos dados, o
respectivo armazenamento e apresentava-os no monitor de vídeo do computador,
57
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
permitindo a visualização em tempo real, possibilitando o acompanhamento da reação
pelo analista.
3.12 Módulo de análise
O módulo de análise desenvolvido para a determinação de fluoreto,
mostrado na Figura 3.7, foi elaborado empregando mini-bomba solenóide como
propulsor de fluídos. Os reatores helicoidais B
1
e B
2
foram utilizados para promover a
formação do complexo zircônio/ vermelho de alizarina S, e posteriormente permitir a
interação do zircônio presente no complexo com o íon fluoreto, formando um novo
complexo. Este módulo de análise foi projetado de modo a minimizar o uso de
reagentes, a sensibilidade na determinação de fluoreto e aumentar a freqüência
analítica.
58
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Figura 3.7 – Diagrama do módulo de análise e diagrama de tempo de
acionamento da determinação de fluoreto em águas servida para consumo
humano. A = amostra; T = água; B
1
B
2
e B
3
= reatores helicoidal com 25, 50 e
10 cm, d. i. 0,8 mm, respectivamente; x
1
, x
2
e x
3
= pontos de confluência;
soluções de vermelho de alizarina S (2,07 mmol L
-1
), zircônio (0,25 mmol L
-1
);
respectivamente; P
1
, P
2
, P
3
, P
4
e P
5
= mini-bombas solenóides; D = descarte;
DET = detector; t
1
, t
2
, t
3
, t
4
, e t
5
= tempos de acionamento de P
1
, P
2
, P
3
, P
4
e P
5
,
respectivamente.
59
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Ao selecionar o programa de controle, o computador solicitava os valores
das variáveis de controle do módulo de análise, tais como: volume (8 µL por pulso da
mini-bomba solenóide) a ser inserido de amostra, dos reagentes, solução
transportadora ou solução de limpeza; número de ciclos para definir a zona de amostra;
número de replicatas; tempo de leitura de sinal. Após fornecer estes parâmetros de
controle, o computador assumia o controle do processo.
Inicialmente, as soluções dos reagentes de zircônio IV (R
1
) e vermelho de
alizarina S (R
2
) são bombeadas na proporção de 1:1 até o preenchimento do reator
helicoidal de 25 cm (B
1
) para a formação do complexo cromogênico de zircônio /
vermelho de alizarina S. Após esta etapa, bombeava-se seqüencialmente, 8 µL zircônio
IV (R
1
), 40 µL solução da amostra (A), 8 µL vermelho de alizarina S (R
2
), até o
preenchimento do reator helicoidal de 50 cm (B
2
), de modo a manter a razão 1:1 entre
os reagentes e 5:1 entre a amostra e o complexo zircônio/ vermelho de alizarina S,
respectivamente.
Finalmente, o produto da reação entre a amostra e o complexo zircônio/
vermelho de alizarina S era transportado até o detector pela solução transportadora
(água). O sinal analítico era lido pelo computador através do multímetro digital via saída
serial RS-232. Os arquivos eram salvos no computador para processamento posterior.
Enquanto a etapa de leitura estava em curso, um gráfico do sinal em função do tempo
era mostrado na tela do monitor de vídeo, permitindo sua visualização em tempo real.
3.13 Estratégias empregadas na determinação de fluoreto
Dentre as diversas técnicas espectrofotométricas citas, inicialmente
selecionou-se a que apresentava menor número de etapas, maior sensibilidade e,
também, maior facilidade na aquisição dos reagentes necessários. Como já descrito
anteriormente neste capítulo, os métodos espectrofotométricos para determinação de
60
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
fluoreto normalmente são indiretos, onde o íon fluoreto retira o metal da estrutura
metal/ligante da estrutura complexo colorido.
3.13.1 Estudo da estabilidade do complexo zircônio/vermelho de
alizarina S e comprimento do reator helicoidal B
1
O complexo zircônio/ vermelho de alizarina S apresenta duas configurações
estruturais em equilíbrio, sendo uma de coloração vermelha e a outra de coloração
amarela, conforme descrito por Cardwell, Cattral e Mitri (1988). Neste sentido,
monitorou-se a estabilidade cinética do referido complexo utilizando o fotômetro e a
cela de fluxo apresentados anteriormente nas Figura 3.4 e Figura 3.6.
No estudo cinético abaixo, preparou-se em bancada a mistura das soluções
de trabalho de zircônio e vermelho de alizarina S formando o complexo
zircônio/vermelho de alizarina S (Zr/VAS), na proporção 1:1 (v/v). No início do
experimento, a cela de fluxo foi lavada e mantida cheia com água para se fazer a
calibração do fotômetro. Posteriormente, a cela de fluxo foi lavada e mantida cheia com
a solução de complexo Zr/VAS. A partir desse momento, leituras sucessivas foram
armazenadas no computador, com intervalo de aproximadamente 2,5 segundos.
Resultando em uma matriz de dados de leitura por tempo. Estipulou-se como o tempo
limite de leitura 90 minutos.
3.13.2 Comprimento do reator helicoidal B
2
Para o estudo do comprimento do reator helicoidal B
2
foi utilizado solução
padrão de fluoreto 1, mg L
-1
soluções de trabalho de zircônio e vermelho de alizarina S
com concentrações de 0,25 mmol L
-1
e 1,5 mmol L
-1
, respectivamente. O estudo foi
efetuado afixando os volumes de padrão, reagentes e solução transportadora, alterando
61
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
apenas o comprimento do reator helicoidal. Iniciaram-se os estudos com 20 ciclos de
amostragem (960 µL) para garantir que o percurso analítico e a cela de fluxo fossem
completamente preenchidos com a zona de amostra. Nesta etapa, as mini-bombas
solenóides P
1
e P
2
foram acionadas de forma alternada. Neste estudo, utilizaram-se os
seguintes comprimentos do reator helicoidal: 25; 50; 75 e 100 cm, respectivamente.
3.13.3 Estudo do volume da zona de amostra
Para o estudo do volume da zona de amostra, utilizou-se solução padrão de
fluoreto 1,0 mg L
-1
e as soluções de trabalho de zircônio e vermelho de alizarina S com
concentrações de 0,25 mmol L
-1
e 1,5 mmol L
-1
, respectivamente. Tomando-se como
condição inicial, foi adotado como comprimento inicial da zona de amostra o
equivalente a 15 ciclos de amostragem, ou seja, 840 µL. Os experimentos adicionais
foram realizados programando: 20; 25 e 30 ciclos de amostragem.
3.13.4 Estudo das proporções entre amostra e os reagentes
Para o estudo das proporções entre os volumes inseridos das amostras e
dos reagentes, foi utilizado padrões de fluoreto de sódio nas seguintes concentrações
0,0; 0,5; 1,0 e 1,5 mg L
-1
; e soluções de trabalho de zircônio e vermelho de alizarina S
com concentrações de 0,25 mmol L
-1
e 2,75 mmol L
-1
, respectivamente. No estudo em
questão, fixando-se, inicialmente, o volume da amostra em 8 µL e em seguida
aumentava-se gradativamente o volume dos reagentes (múltiplos de 8 µL). Iniciaram-se
os estudos com 10 ciclos de amostragem (560 µL) para garantir que o percurso
analítico e a cela de fluxo fossem completamente preenchidos com a zona de amostra.
Neste estudo, utilizou-se um reator helicoidal de 25 cm para B
1
e 50 cm para B
2
. Os
62
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
volumes inseridos das soluções de trabalho de zircônio e vermelho de alizarina S foram
variados conforme descrito nos itens 3.13.4.1 e 3.13.4.2, a seguir.
3.13.4.1 Estudo dos volumes de zircônio
Mantendo-se constante o volume inserido do reagente de vermelho de
alizarina S em 8 µL no reator helicoidal B
1
, os volumes inseridos do zircônio no reator
B
1
foram: 8, 16 e 24 µL.
3.13.4.2 Estudo dos volumes de vermelho de alizarina S
Mantendo-se constante o volume inserido do zircônio em 8 µL no reator
helicoidal B
1
, os volumes inseridos do reagente vermelho de alizarina S no reator B
1
para os seguintes volumes: 8, 16 e 24 µL.
3.13.5 Estudo das concentrações dos reagentes
Para o estudo das concentrações dos reagentes, as proporções entre os
padrões e reagentes foi mantido constante ( 8 µL para padrões e 8 µL do complexo
zircônio/vermelho de alizarina S). Neste estudo, utilizou-se um reator helicoidal de 25
cm para B
1
e 50 cm para B
2
, 40 ciclos de amostragem (960 µL) para garantir que o
percurso analítico e a cela de fluxo fossem completamente preenchidos com a zona de
amostra Foram usados soluções padrões de fluoreto de sódio nas seguintes
concentrações 0,0; 0,5; 1,0 e 1,5 mg L
-1
. As soluções de trabalho de zircônio e
63
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
vermelho de alizarina S foram variadas conforme descrito nos itens 3.13.5.1 e 3.13.5.2,
a seguir.
3.13.5.1 Estudo das concentrações de zircônio
Mantendo-se constante a concentração de vermelho de alizarina S em 1,5
mmol L
-1
, a proporção dos volumes entre os reagentes e os padrões preparados, e
mantendo o pH do meio reacional, preparou-se soluções de zircônio nas seguintes
concentrações: 0,30; 0,60; 1,25 e 2,50 mmol L
-1
.
3.13.5.2 Estudo das concentrações de vermelho de alizarina S
Mantendo-se constante a concentração de zircônio em 1,0 mmol L
-1
, a
proporção dos volumes entre os reagentes e os padrões preparados, e mantendo o pH
do meio reacional, foram preparadas soluções de vermelho de alizarina S nas seguintes
concentrações: 0,20; 0,40; 0,75 e 1,5 mmol L
-1
.
3.13.6 Estudo do meio reacional
No estudo do meio reacional se mantiveram fixas as proporções entre os
padrões e reagentes foi mantido constante, 8 µL para padrões e 8 µL do complexo
zircônio/vermelho de alizarina S) e, ainda, as concentrações dos reagentes, fixadas em
0,25 mmol L
-1
para zircônio e 1,5 mmol L
-1
de vermelho de alizarina. Neste estudo,
utilizou-se um reator helicoidal de 25 cm para B
1
e 50
cm
para B
2
, 40 ciclos de
amostragem (960 µL) para garantir que o percurso analítico e a cela de fluxo fossem
64
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
completamente preenchidos com a zona de amostra. Foram utilizados soluções
padrões de fluoreto de sódio nas seguintes concentrações 0,0; 0,5; 1,0 e 1,5 mg L
-1
.
Manteve-se, também, a razão de proporção entre os ácidos estudados (HCl e H
2
SO
4
)
conforme descrito por Cardwell; Cattral, Mitri, (1988). No estudo do meio reacional
foram variados os seguintes valores dos seguintes ácidos: 6,0; 12,0; 18,0 e 24,0 mmol
de HCl; e, 1,5; 3,0; 6,0 e 12,0 mmol de H
2
SO
4
.
3.13.7 Estudo da faixa linear da reação
Para o estudo da faixa de resposta linear utilizou-se soluções padrões de
fluoreto de sódio nas seguintes concentrações: 0,00; 0,13; 0,25; 0,50; 0,75; 1,00; 1,25;
1,50; 1,75; 2,00 e 4,00 mg L
-1
. A proporção entre os volumes das soluções padrões e
dos reagentes foi mantida em 5:1 (v/v), ou seja, 40 µL para solução padrão e 8 µL para
o complexo de zircônio/vermelho de alizarina S. As concentrações dos reagentes
utilizadas neste estudo foram: fixadas em 0,25 mmol L
-1
para zircônio e 0,75 mmol L
-1
de vermelho de alizarina. Neste estudo, utilizou-se um reator helicoidal de 25 cm para
B
1
e 50 cm para B
2
, e 25 ciclos de amostragem. O meio reacional para desse estudo foi
fixado em 18,0 mmol L
-1
para HCl e 6,0 mmol L
-1
para H
2
SO
4
3.13.8 Estudo das espécies potencialmente interferentes
O estudo seguinte foi realizado para avaliar possíveis efeitos de interferência.
Autores como Cardwell, Cattral e Mitri (1988 e 1994) e Matsunaga et al., (2006)
apontam Fe
3+
, Al
3+
e PO
4
3-
, como algumas das espécies químicas potencialmente
interferentes. Assim, estas espécies químicas foram adicionadas às soluções padrões
de fluoreto.
65
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
No estudo das espécies químicas potencialmente interferentes, utilizou-se as
seguintes soluções de fluoreto: 0,0; 0,50; 1,0; 1,5; e 2,0 mg L
-1
. As concentrações dos
reagentes utilizadas neste estudo foram fixadas em 0,25 mmol L
-1
para zircônio e 1,5
mmol L
-1
de vermelho de alizarina. Neste estudo, foi utilizado um reator helicoidal de 25
cm para B
1
e 50 cm para B
2
, e 25 ciclos de amostragem. Os experimentos foram
realizados empregando soluções de 0,1; 10,0 e 50,0 mg L
-1
Fe(III); 0,2; 0,5 e 5,0 mg L
-1
Al(III) ; e 0,2; 0,5, 5,0 e 10,0 mg L
-1
PO
4
3-
, respectivamente.
3.13.9 Outros estudos
Outros parâmetros, tais como, temperatura, tempo de reação e pH, não
foram avaliados, pois foram mantidas as condições relatadas na literatura
(PARISSAKIS; KONTOYANNAKOS, 1963 MEYLING; MEYLING, 1963).
3.13.10 Processamento das amostras
As amostras de água potável foram processadas empregando as condições
operacionais estabelecidas a partir da análise dos resultados otimizados obtidos nos
experimentos descritos previamente. Foi utilizado o teste-t de Student para a
comparação entre médias.
3.13.11 Adição de padrão e recuperação
Com o propósito de se avaliar o efeito de matriz, foram adicionados a
algumas amostras os seguintes valores de solução padrão de fluoreto de sódio. Nesta
66
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
adição volumes conhecidos das soluções padrões de fluoreto foram adicionadas a um
balão volumétrico de 100 mL e o volume foi completado com amostras previamente
coletadas, filtradas e acondicionadas à temperatura de 25 ºC.
3.13.12 Validação do procedimento
Com o propósito de verificar a exatidão do procedimento proposto, a
determinação de fluoreto também foi realizada por Cromatografia de Troca Iônica, no
mesmo dia que as amostras processadas com sistema proposto neste trabalho.
3.14 Resultados e discussão
Diferentes métodos para determinação de fluoreto em águas foram
pesquisados na literatura. Dentre os métodos pesquisados, o baseado no complexo de
zircônio(IV)/vermelho de alizarina S aparece como o mais interessante, pois é
reconhecida como um dos métodos oficiais (colorimétricos) para determinação de
fluoreto em águas (BRASIL, 1976). Sendo esta, uma alternativa que não necessita de
muito preparo de amostra, apresentando velocidade de reação razoável e, também,
apresenta baixo índice de interferência uma vez que o cloreto, um dos potenciais
interferentes mais severos em outras reações, não participar da reação. Desta forma, a
melhor das alternativas para contornar essas situações foi o método descrito Cardwell;
Cattral, Mitri (1994), que apresentou melhor limite de detecção e maior faixa linear, com
boa velocidade cinética de reação.
Nos itens seguintes são apresentados e discutidos os resultados referentes
às variáveis estudas: comprimento dos reatores helicoidal B
1
e B
2
, volume da zona de
amostra, proporções entre os volumes das alíquotas da amostras e dos reagentes,
concentração dos reagentes, estudo do meio reacional, faixa de resposta linear,
67
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
espécies potencialmente interferentes, processamento das amostras, adição e
recuperação, e exatidão.
Testes quantitativos demonstraram que a reação entre fluoreto e o complexo
zircônio/ vermelho de alizarina S ocorre rapidamente à temperatura de 30ºC, portanto
não foi necessário empregar uma etapa de aquecimento.
3.14.1 Efeito da estabilidade cinética do complexo
zircônio/vermelho de alizarina S e comprimento do reator
helicoidal B
1
No início deste trabalho, foi comentado que método selecionado tem como
base a reação competitiva, onde o fluoreto captura o íon zircônio do complexo zircônio/
vermelho de alizarina S. O decréscimo da coloração do composto inicial guarda uma
relação direta com a concentração de fluoreto, a qual foi monitorada neste trabalho
quantificando a variação da absorbância. Então, é necessário a formação prévia do
composto zircônio/ alizarina. Tendo em vista que a estabilidade do composto ao longo
do tempo poderia afetar o procedimento analítico, um experimento com esta finalidade
foi realizado. A curva mostrada na Figura 3.8 indica que nos primeiros 30 min, a
variação da resposta não significativa, entretanto para tempos maiores o decréscimo de
sinal torna-se mais acentuado.
68
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Figura 3.8 – Estudo de estabilidade cinética do complexo zircônio/vermelho
de alizarina S. A
525 nm
= absorbância (
λ
= 525 nm).
Em função deste resultado, módulo de análise foi projetado para permitir a
formação do composto zircônio/alizarina em linha. Assim, o primeiro reator helicoidal
(B
1
) deveria conter um volume suficiente do complexo Zr/VAS para permitir a reação
com fluoreto, e o tempo de residência do composto no interior do reator (B
1
) não
deveria exceder 40 s. Então, foi estabelecido um reator com 25 cm de comprimento.
Considerando-se que o diâmetro interno do tubo de polietileno era de 0,8 mm, então o
volume do reator era de 125 µL. Tendo em vista que cada mini-bomba liberava 8 µL de
solução por pulso, então foi programado a aplicação seqüencial de 8 pulsos elétricos
nas mini-bombas P
1
e P
2
, necessários para encher o reator com mistura das duas
soluções.
Considerando ainda, que a cada novo ciclo de amostragem era renovada a
adição dos reagentes no início do reator (B
1
), o volume de complexo Zr/VAS se mantém
69
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
constante durante o decorrer das análises, e também, o tempo de permanência no
interior do reator.
3.14.2 Comprimento do reator helicoidal B
2
O comprimento do reator pode afetar a magnitude do sinal analítico, então
para verificar este efeito, alguns experimentos foram realizados e os resultados são
mostrados na Figura 3.9, onde se observa que para comprimentos superiores a 50 cm,
o acréscimo do sinal não foi significativo, portanto o reator de 50 cm foi selecionado.
Figura 3.9 – Estudo do comprimento do reator helicoidal B
2
. Reação entre
complexo Zr/VAS com solução padrão 1 mg L
-1
de fluoreto. A
525 nm
=
absorbância (
λ
= 525 nm).
70
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Neste estudo, foram aplicados 25 ciclos de amostragem nas mini-bombas P
1
.
P
2
e P
3
. O volume da zona da amostra era de 1200 µL, portanto o efeito da dispersão
era compensado, e o aumento não significativos do sinal indicava que o reator de 50
cm, era suficiente para o desenvolvimento da reação.
3.14.3 Efeito do volume da zona de amostra
O volume da zona pode afetar a magnitude do sinal analítico, então para
verificar este efeito, experimentos foram realizados variando o número de ciclos de
amostragem. O padrão de acionamento das mini-bombas foi o mesmo empregado no
item precedente. Observa-se na Figura 3.10, que não houve aumento significativo dos
valores de absorbância para volumes superiores ao de 25 ciclos de amostragem
(1200µL), sendo este valor selecionado para os demais experimentos realizados.
71
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Figura 3.10 – Estudo do comprimento da zona de amostra representada pelo
número de ciclos; Onde: –■– 15; –●– 20; –▲– 25 e –▼– 30 ciclos.
A
525 nm
= absorbância (
λ
= 525 nm).
3.14.4 Efeito das proporções entre amostras e os reagentes
Os resultados mostrados nos item precedentes foram obtidos se mantendo
em cada ciclo de amostragem um pulso em cada míni-bomba P
1
, P
2
e P
3
. O efeito da
razão entre os volumes das alíquotas do reagente Zr/Vermelho de Alizarina S e da
amostra foi avaliado mantendo um pulso nas P
1
e P
2
(16 µL) e variando o número de
pulsos aplicados à mini-bomba P
3
. As curvas da Figura 3.11 mostram que o exceto de
volume a 16 µL, as outras 3 curvas são quase paralelas, indicando praticamente a
mesma sensibilidade. Observa-se que nestas curvas houve uma diminuição do valor da
72
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
leitura do branco, causado pelo aumentado do volume da alíquota da amostra, o seria
equivalente à uma diluição do reagente. Entretanto, não houve diminuição da
sensibilidade, o que seria observado pela diminuição do declive da curva
correspondente. Portanto, nestas condições havia reagente suficiente para atender a
estequiometria da reação.
Figura 3.11 – Efeito do volume de amostra sobre o volume fixado do complexo
Zr/Vermelho de Alizarina S (8 µL
-1
). Onde: –■– 40 µL
-1
; –●– 32 µL
-1
; –▲– 24
µL
-1
; -▼– 16 µL
-1
. A
525 nm
= absorbância (
λ
= 525 nm).
3.14.5 Faixa linear da reação
Empregando os parâmetros definidos a partir dos resultados discutidos nos
itens precedentes, foi processado um conjunto de soluções de referência, os resultados
73
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
são mostrados na Figura 3.12. Observa-se uma resposta linear (r = –0,997) na faixa de
0,25 a 1,75 mg L
-1
.
Figura 3.12 – Curva analítica dos padrões preparados de fluoreto. As linhas
tracejadas, superior e inferior, representam o nível de confiança a 95%. A linha
vermelha representa a regressão linear (r = -0,997). A = absorbância (
λ
= 525
nm).
3.14.6 Efeito da adição e recuperação de fluoreto em amostras
de água
Visando verificar se havia efeito de matriz, foi empregado o método de
adição e recuperação. Os resultados da Tabela 3.1 mostram que a recuperação se
situou na faixa de 98,5 a 102,9%, portanto indicando que não há efeito de matriz.
74
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Tabela 3.1 – Valores do estudo de efeito de matriz do íon fluoreto.
Valores de Fluoreto (
m
g L
-
1
)
Amostra
adicionado
encontrado
Recuperação %
0,00 0,75
0,25 0,99 99,9
0,50 1,26 100,8
A
1,00 1,75 100,0
0,00 0,65
0,25 0,89 98,5
0,50 1,14 98,5
B
1,00 1,66 101,5
0,00 0,69
0,25 0,96 102,9
0,50 1,18 98,6
C
1,00 1,67 97,1
0,00 0,82
0,25 1,08 101,2
0,50 1,31 98,8
D
1,00 1,80 97,6
75
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
3.14.7 Efeito das espécies potencialmente interferentes
Segundo a literatura, Fe(III), Al(III) e PO
4
3-
são os interferentes
potencias, então para verificar o efeito destes íons alguns experimentos foram
realizados e com os dados obtidos foram traçadas as curvas da Figura 3.13,
Figura 3.14 e Figura 3.15, mostradas a seguir.
Figura 3.13 – Efeito da adição de ferro nas soluções de referência de fluoreto.
Concentrações de cloreto de ferro III, onde: –■– 0,0 mg L
-1
; –●– 0,1 mg L
-1
;
-▲– 10,0 mg L
-1
; –▼– 50,0 mg L
-1
. A
525 nm
= absorbância (
λ
= 525 nm).
76
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Observa-se na Figura 3.13 que até 50 mg L
-1
de
Fe(III) não houve
interferência significativa. Tendo em vista que essa concentração de ferro é 160 vezes
maior do que o limite máximo estabelecido pela portaria 518/2004 do Ministério da
Saúde, não foi realizados experimento com concentração maior.
Figura 3.14 – Efeito da adição de alumínio nas soluções de referência de
fluoreto. Concentrações de cloreto de alumínio, onde: –■– 0,0 mg L
-1
; –●– 0,2
mg L
-1
; –▲– 0,5 mg L
-1
; –▼– 0,5 mg L
-1
. A
525 nm
= absorbância (
λ
= 525 nm).
O conjunto de curvas mostradas na Figura 3.14 indica que a partir de
0,5 mg L
-1
de
alumínio ocorre interferência. Entretanto, pra concentrações de fluoreto a
partir de 1,5 mg L
-1
aparentemente o efeito de interferência foi minimizado. Observa-se
que para 5,0 mg L
-1
de alumínio, praticamente o sinal referente às soluções de fluoreto
foi suprimido. A concentração máxima de alumínio permitida em águas potáveis é
77
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
0,2 mg L
-1
portaria 518/2004 do Ministério da Saúde, então os dados desta figura
mostram que procedimento proposto pode ser utilizado para determinar fluoreto em
águas potáveis.
Figura 3.15 – Efeito da adição de fosfato nas soluções de referência de
fluoreto. Concentrações de fosfato de sódio monobásico, onde: –■– 0,0 mg L
-1
;
–●– 0,2 mg L
-1
; –▲– 0,5 mg L
-1
; –▼– 1,0 mg L
-1
e –♦– 10,0 mg L
-1
. A
525 nm
=
absorbância (
λ
= 525 nm).
As curvas da Figura 3.15 indicam que na faixa estuda, o fosfato não
apresentou interferência significativa. Convém lembrar que a ANVISA (BRASIL, 2004)
não faz referência ao fosfato em águas potáveis, entretanto o CONAMA (BRASIL,
2005) estabelece 0,020 mg L
-1
para ambiente lento e 0,1 mg L
-1
para ambientes
intermediários e lóticos. Tendo em vista as recomendações do CONAMA neste estudo
78
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
foi avaliado concentração 100 vezes maior do que o limite máximo estabelecido para
fosfato em águas de superfície. Não foi realizado experimento com concentração maior.
3.15 Aplicação analítica do método desenvolvido
Visando demonstrar a viabilidade do sistema do procedimento proposto, um
lote de amostras de águas coletadas em vários pontos da cidade de Piracicaba foi
processado e os resultados são mostrados na Tabela 3.2 Visando comprovar a
exatidão dos resultados, as amostras também foram processadas empregando
cromatografia de troca iônica. Aplicando-se o teste-t pareado observou-se que não há
diferença significativa em nível de confiança de 95 %.
Tabela 3.2 – Análise comparativa do sistema proposto com cromatografia de
troca iônica.
Amostra Método Proposto
Cromatografia troca iônica Limites (mg L
-1
)*
Razão
A 0,804 0,769 0,7 a 1,5 0,957
B 1,336 1,366 0,7 a 1,5 1,022
C 0,619 0,634 0,7 a 1,5 1,026
D 0,718 0,684 0,7 a 1,5 0,954
E 1,289 1,310 0,7 a 1,5 1,016
F 1,332 1,273 0,7 a 1,5 0,955
* Limites inferior e superior estabelecido pela Organização Mundial da Saúde (OMS).
Na Figura 3.16 são apresentados os registros dos sinais referentes às
soluções padrões e algumas amostras. Observa-se nesta figura que há boa
repetibilidade entre os registros da mesma solução de referência, os perfis dos registros
são semelhantes, portanto indicando que o módulo de análise, o fotômetro, bem como
79
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
software de controle e aquisição de dados não apresentaram falha durante o período de
operação e apresentaram ótimo desempenho.
Figura 3.16 – Sinais transientes das soluções padrão de fluoreto e das
amostras estudadas. Da esquerda para direita: soluções padrão de fluoreto, em
triplicata. Onde: I, II, III, IV e V, correspondem às concentrações de 0,00; 0,25;
0,75; 1,25 e 1,75 mg L
-1
; oito amostras de água de abastecimento (A, B, C, D,
E, F, G e H), em triplicata, e, novamente, as soluções padrão de fluoreto, em
concentrações decrescentes. A
525 nm
= absorbância (
λ
= 525 nm).
Analisando esta figura observa-se que 54 determinações foram realizadas
em um intervalo de tempo de 3500 s, portanto o sistema proposto tem capacidade para
fazer 64 determinações por hora.
80
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
3.16 Figuras de mérito
Para avaliar o desempenho global do procedimento (Prichard; Barwich,
2007) desenvolvido foram avaliados alguns parâmetros considerados importantes:
exatidão, precisão, faixa de resposta linear, limite de detecção, limite de quantificação,
desvio padrão do branco (SD), sensibilidade, recuperação e repetibilidade, os quais são
mostrados na Tabela 3.3. A precisão e exatidão foram avaliadas aplicando o test-t
student. Os limites de detecção (LD) e quantificação (LQ) foram avaliados utilizando as
equações apresentadas, a seguir:
•
Para a equação da reta
baxy
+
=
(Equação 01)
Onde:
•
“a” coeficiente angular;
•
“b” ponto de interseção;
Os valores de LD e LQ foram calculados conforme apresentado nas
equações 02 e 03.
a
SD3
LD
⋅
=
(Equação 02)
a
SD10
LQ
⋅
=
(Equação 03)
81
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Tabela 3.3 - Figuras de mérito para o método proposto para a determinação
de fluoreto em águas.
Parâmetro
17
Procedimento Proposto
Referência
18
Referência
19
Massa de ZrOCl
2
. 8H
2
O 0,0354 mg ** **
Massa de vermelho de alizarina S 3,14 µg ** **
Volume de amostra 40 µL 125 µL 60 µL
Volume de efluente gerado 0,4 mL 0,7 mL 0,6 mL
Faixa resposta linear 0,25 a 1,75 mg L
-1
0,03 a 10 mg L
-1
0,03 a 1,25 mg L
-1
Freqüência analítica 45 h
-1
100 h
-1
24 h
-1
Coeficiente de correlação (r) -0,99766 ** **
Coeficiente angular (a) -0,18921 ** **
Ponto de interseção (b) 0,46475 ** **
LD 0,06 mg L
-1
** **
** valores não encontrados ou não disponibilizados na referência pesquisada.
Em comparação com os procedimentos tomados como referência
(CARDWELL; CATTRALL; MITRI, 1988; WADA, MORI e NAKAGAWA ,1985), observa-
se que o procedimento proposto apresenta vantagens significativas, como freqüência
de amostragem mais alta e limite superior de resposta linear ao trabalho publicado por
menor consumo de reagentes que Cardwell; Cattrall; Mitri, (1988); sem a necessidade
de preparo prévio da amostra como descrito por Zaporozhets; Tsyukalo (2007).
Também, observa-se que a faixa de resposta linear, embora mais estreita, atende aos
limites estabelecidos pela ANVISA para água potável.
17
Resultados calculados por determinação
18
Resultados estimados por determinação conforme Cardwell; Cattrall; Mitri, 1988.
19
Resultados estimados por determinação conforme Wada; Mori; Nakagawa, 1985.
82
3
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE FLUORETO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
3.17 Conclusões
O uso do processo de multicomutação em fluxo permitiu a determinação de
fluoreto em água potável empregando o método zircônio/vermelho de alizarina S. O
método atende às determinações estabelecidas pela porta 518/2004 do Ministério da
Saúde. As amostras de água analisadas estão em conformidade com os teores de
fluoreto estabelecido por Lei. O método desenvolvido é simples, robusto, compacto,
fácil de ser executado, apresenta ótima sensibilidade analítica (LD = 0,06 mg L
-1
), não
requer etapas de pré-tratamento da amostra.
O consumo de reagentes e, conseqüentemente, o volume de efluentes
gerado pelo método proposto é menor que os métodos tomados como referência
(CARDWELL; CATTRALL; MITRI, 1988; WADA, MORI e NAKAGAWA ,1985). A
determinação fluoreto em água potável permitiu demonstrar a aplicabilidade do
procedimento, robustez do fotômetro e do módulo de análise. Neste sentido podemos
concluir que o sistema proposto é uma alternativa viável para a determinação e
monitoramento em empresas de saneamento.
A automação do método através do processo de multicomutação possibilitou
maior versatilidade na inserção dos reagentes e amostras, minimizando o consumo dos
mesmos e, por conseqüência, minimizou a geração de resíduos. Além disto, o
procedimento desenvolvido minimiza o risco de contaminação por se tratar de um
sistema fechado.
4
o
CAPÍTULO
MICROCONTROLADORES
4
o
CAPÍTULO – MICROCONTROLADORES
4.1 Introdução
A evolução da eletrônica digital que atualmente é incorporada aos
equipamentos utilizados em química analítica, tem como bom exemplo, o progresso das
máquinas fotográficas. Na década de 60 eram totalmente mecânicas. Ao fotógrafo
cabia selecionar o tipo de filme, a velocidade do obturador, o foco, etc. Já na década de
70, com a evolução dos circuitos integrados (CIs), permitiu facilidades como: motor para
rodar o filme; medidor de quantidade de luz que controlava automaticamente a abertura
do diafragma; contador eletrônico de fotos batidas; medidor de distância para ajuste do
foco; entre outras (ZELENOVSKY; MENDONÇA, 1999). Hoje, apertamos somente um
botão e todo o resto é feito automaticamente.
Mas esta simplicidade apresentada só é possível devido à evolução da
microeletrônica. Ou seja, cada máquina fotográfica moderna possui um circuito
integrado microprocessado ou microcontrolador, que já contem toda a estrutura
necessária para o funcionamento de um computador, ou seja, um microprocessador ou
Unidade Central de Processamento (CPU – do nome em inglês, Central Processing
Unit), memórias RAM e ROM (ambas do nome em inglês, Read-Only Memory; e
Random-Access Memory, respectivamente), osciladores com freqüência de até 48
MHz, e uma série de outros periféricos de entrada e saída, como comparadores,
conversores analógicos/digital, temporizadores, etc (ZELENOVSKY; MENDONÇA,
1999; SICKLE, 2001).
85
4
o
CAPÍTULO – MICROCONTROLADORES
A evolução da microeletrônica e a redução dos custos de fabricação dos
microcontroladores permitiram sua rápida expansão em 30 anos, e viabilizou seu o
emprego nos mais diversos tipos de equipamentos. Em uma estimativa feita por Zanco
(2005), atualmente uma pessoa que vive em grandes centros urbanos, depara-se
diariamente com pelo menos 100 microcontroladores, os quais estão incorporados em
soluções de problemas nas mais diversas áreas: automobilística, predial, industrial,
agrícola, biomédica, robótica, etc.
Hoje, a tecnologia do silício permite o desenvolvimento de sistemas
eletrônicos de alta complexidade na escala nanométrica, o que permite a miniaturização
dos equipamentos utilizados para medir diversos parâmetros empregando
instrumentação analítica utilizando um único chip. Segundo, Rocha (2009) a integração
de novas tecnologias, somada a facilidade de fabricação e montagem de sistemas
eletrônicos em circuitos impressos (PCB) e componentes de montagem em superfície
(SMD), tem permitido se obter circuitos eletrônicos complexos baseados em
componentes discretos. A Figura 4.1 ilustra um microcontrolador de montagem em
superfície soldado em uma placa de circuito impresso.
86
4
o
CAPÍTULO – MICROCONTROLADORES
Figura 4.1 – Microcontrolador de montagem em superfície (SMD) soldados
sobre uma placa de circuito impresso (PCB).
4.2 Microcontroladores versus Microprocessadores
Um microcontrolador difere de um microprocessador em vários aspectos. O
mais importante, pode ser considerado sua funcionalidade. Para que um
microprocessador possa ser usado, outros componentes externos devem ser
adicionados à sua estrutura, tais como: memórias, clock, portas de entrada e saída de
dados, etc. Em resumo, isso significa que o microprocessador é o verdadeiro cérebro
do computador. Por outro lado, o microcontrolador foi projetado para ter todos os
componentes necessários para seu funcionamento em uma única estrutura, ou seja, em
um único chip. De modo geral, não é necessário adicionar componentes externos para
seu funcionamento ou aplicações, uma vez que todos os periféricos necessários já
estão embutidos nele.
87
4
o
CAPÍTULO – MICROCONTROLADORES
4.2.1 Principais Características dos microcontroladores
Os microcontroladores, também conhecidos como Computador em um Único
Chip (MCU – do nome em inglês: MicroController Units), vêem se tornando uma
poderosa ferramenta para os dispositivos de automação e controle (ZANCO, 2005;
ZELENOVSKY; MENDONÇA, 1999). Isto porque, nas versões mais recentes, os
microcontroladores apresentam uma grande variabilidade de dispositivos embutidos,
tais como: módulos de Timer e PWM; conversores analógico digital (A/D) e digital
analógico (D/A); osciladores interno; memórias EEPROM, Flash, ROM, RAM; portas
bidirecionais (Input/Output - I/O) para leitura e controle; processamento em 8, 16 e 32
bits; interfaces TTL, serial (RS-232), I
2
C, USB 2.0, CAN, etc.
Os microcontroladores da série PIC18F pertencem a uma classe de
microcontroladores de 8 bits. Sua estrutura genérica é apresentada na Tabela 4.1, que
nos mostra os seus blocos básicos. O PIC18F2553 possui um total de 28 pinos. Sendo
mais freqüentemente encontrado no modelo DIP28 (do inglês, Dual In Package, com 28
pinos), podendo também ser encontrado em modelo SMD (do inglês, Surface Mount
Devices), que possui menores demissões que a DIP.
88
4
o
CAPÍTULO – MICROCONTROLADORES
Tabela 4.1 – Estrutura genérica de um microcontrolador.
Componente Descrição
Memória de programa (FLASH)
Utilizada para armazenar o programa. Como a memória fabricada
com tecnologia FLASH se pode programar e apagar mais que
10.000.000 vezes, tornando-se adequada para o desenvolvimento de
dispositivos.
EEPROM
Memória dos dados que necessitam de alimentação de 7V para ser
apagada. Normalmente é utilizada para guardar dados importantes
que não se podem ser perdidos quando microcontrolador for
desligado ou reiniciado. Um exemplo deste tipo de dados é a
temperatura máxima ou mínima de uma leitura em campo. Onde, se
durante uma quebra de alimentação, se perdessem estes dados, nós
precisaríamos repetir um novo experimento quando a alimentação
fosse restabelecida. Assim, o nosso dispositivo, perderia eficácia.
RAM
Memória de dados usada durante a sua execução de um programa.
Na RAM, são guardados todos os resultados intermédios ou dados
temporários durante a execução do programa e que não são cruciais
para o dispositivo, depois de ocorrer uma falha na alimentação.
PORT A e PORT B
são ligações físicas entre o microcontrolador e o mundo exterior. O
porto A tem cinco pinos e o porto B oito pinos.
CONTADOR/TEMPORIZADOR
É um registro de 8 bits no interior do microcontrolador que trabalha
independentemente do programa. No fim de cada conjunto de
quatro ciclos de máquina (oscilador), ele incrementa o valor
armazenado, até atingir o valor máximo (255), recomeçando a
contagem a partir de zero. Como nós sabemos o tempo exato entre
dois incrementos sucessivos do conteúdo do temporizador, podemos
utilizar este para medir intervalos de tempo, o que o torna muito útil
em vários dispositivos.
UNIDADE DE
PROCESSAMENTO CENTRAL
(CPU)
Faz a conexão com todos os outros blocos do microcontrolador. Ele
coordena o trabalho dos outros blocos e executa o programa escrito
internamente.
89
4
o
CAPÍTULO – MICROCONTROLADORES
4.2.1.1 Conversor Analógico Digital (A/D)
As duas características importantes dos Conversores Analógico Digital (A/D)
são o tempo de conversão, e a resolução. O tempo de conversão condiciona a taxa de
conversão, isto é, quantas vezes o sinal analógico é convertido para digital por unidade
de tempo (MARTINS, 1996). Em um A/D com resolução de 8 bits, significa que o
mesmo poderá descriminar 256 (2
8
) intervalos distintos de diferença de potencial. Neste
caso, considerando uma faixa de trabalho (fundo de escala) de 5 volts, as variações
seriam múltiplas de 19,5 mV, que é conhecido por resolução. Então, uma variação de
sinal menor que 19,5 mV não seria detectada. Os A/Ds de 8 bits tem sido usado em
instrumentação industrial, mas em instrumentação analítica é recomendado os A/Ds de
12 bits, tendo em vista que nesse caso a resolução é de 1 mV.
O uso de um A/D internamente incorporado a um microcontrolador possibilita
uma série de vantagens, tais como: taxa de transferência de dados paralela; menor
interferência externa; menor tempo de desenvolvimento de circuitos e firmwares; maior
eficiência no número de instruções; e, redução nos custos de desenvolvimento.
4.3 OBJETIVOS
Neste trabalho, o A/D interno de um microcontrolador da série PIC 18F2553
foi utilizado para a aquisição de dados do sistema proposto para determinação de
arsênio em águas. Neste sistema, foi utilizado um dos canais A/D de 12 bits para fazer
a aquisição de dados, convertendo para digital a diferença de potencial gerada pelo
fotômetro (Figura 3.4).
90
4
o
CAPÍTULO – MICROCONTROLADORES
4.4 Equipamentos e acessórios
Para o desenvolvimento da instrumentação e procedimentos automáticos
para a determinação das espécies químicas de interesse desse trabalho, empregando
multicomutação em fluxo e detecção fotométrica, utilizou–se os seguintes materiais e
acessórios, descritos a seguir:
•
Espectrofotômetro de varredura multicanal (Ocean Optics
, USB2000,
Estados Unidos), com 2048 canais linhas, para medição da banda de
radiação dos LEDs de auto-brilho para as determinações fotométricas;
•
Tubos de polietileno (PE) de diâmetro interno (d. i.) 0,8 mm foram utilizados
para a confecção das linhas de fluxo;
•
Uma fonte simétrica estabilizada (+12 e –12 Volts) foi utilizada para
alimentação do fotômetro;
•
Drive de potência utilizando o circuito integrado ULN2803A;
•
Uma interface de programação para microcontroladores (Microchip
, modelo
PicKit-02), através da porta USB 2.0 de um computador.
•
Software MPLabV8.43
20
.
•
Fotodetector, CI OPT301, (Burr-Brown
Instruments, modelo hermético TO-
99), com resposta espectral na faixa de 300 a 950 nm;
•
Microcontrolador (Microchip
, modelo PIC 18F2553) com A/D interno de
resolução de 12 bits;
20
Software disponibilizado pela Microchip
para desenvolvimento de circuitos para microcontroladores.
Disponível via acesso em 10 de abril 2007:
http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS
_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en019469
91
4
o
CAPÍTULO – MICROCONTROLADORES
4.5 Interfaces microcontroladas para aplicação analítica
4.5.1 Módulo de aquisição de dados e interface USB
O módulo de aquisição de dados e interface USB desenvolvidos neste
trabalho, consiste em uma unidade portátil que retira sua alimentação da interface USB,
dispensando o uso de fontes de alimentação externas, e que permitiria seu uso em
campo junto com um notebook. O uso de fonte externa de alimentação somente é
necessário para alimentação do fotômetro e o controle de válvulas solenóides,
conforme já descrito nos itens 3.8 e 3.9, respectivamente.
As principais características que esse módulo apresenta são: 02 canais
analógicos de entrada com conversores A/D de 12 bits de resolução e capacidade de
operar com taxa de amostragem de até 100 000 amostragens por segundo. Possui 8
canais de entradas e 8 canais de saídas digitais, a nível TTL, além de 1 canal de saída
analógico. A Figura 4.2 apresenta o diagrama da interface empregada para esta
finalidade.
92
4
o
CAPÍTULO – MICROCONTROLADORES
Figura 4.2 – Ilustração do módulo de aquisição de dados utilizando A/D
interno de 12 bits do microcontrolador PIC 18F2553. Onde A/D-01 e A/D-02
correspondem aos canais de entrada analogia e USB saída dos dados
digitalizados.
4.5.2 Dispositivos de controle modulado
Dispositivos de controle do tipo liga/desliga têm prevalecido por muitos anos,
entretanto, flutuações nas variáveis de controle são inerentes a esse tipo de sistema de
controle. Novas tecnologias têm surgido como alternativa para estes sistemas, tais
como sistemas de controle modulado. Os sistemas de controle modulado, quando
associado aos sistemas digitais de controle, têm apresentado características
superiores, como no caso dos dispositivos de controle envolvendo por Modulação por
Largura de Pulso (WILMSHURST, 2007).
O princípio físico de Modulação por Largura de Pulso (PWM do nome em inglês
Pulse Width Modulation), que tem como objetivo principal controlar o valor da
freqüência de alimentação entregue à carga, otimizando a diferença de potencial
elétrico (DDP). Ou seja, o fundamento básico do PWM é controlar o valor da
93
4
o
CAPÍTULO – MICROCONTROLADORES
transferência de potência entregue a uma carga sem as perdas ocorridas normalmente
devido à queda de tensão por recursos resistivos (ZANCO, 2005).
Em um sistema controlado por PWM, a chave de potência usada para
controlar o fluxo de corrente: ora não conduzindo corrente, ora conduzindo, mas
provocando uma queda de tensão muito baixa; como a potência instantânea dissipada
pela chave é o produto da corrente pela tensão elétrica a um dado instante, isso
significa que nenhuma potência é dissipada se a chave fosse uma chave "ideal". Uma
representação esquemática do princípio de PWM é apresentada na Figura 4.3.
Figura 4.3 – Representação esquemática do princípio de PWM. t
1
= tempo
ligado; t
2
= tempo desligado; p = período (t
1
+ t
2
). –■– chave ligada ou fechada;
□ chave desligada ou aberta; a) potência resultante entregue à carga para t
1
<t
2
;
b) potência resultante entregue à carga para t
1
= t
2
; c) potência resultante
entregue à carga para t
1
>t
2
.
94
4
o
CAPÍTULO – MICROCONTROLADORES
Neste trabalho, o princípio de PWM foi utilizado para o controle digital da
intensidade de luminosidade do LED, utilizado como fonte de radiação para o fotômetro
desenvolvido. O módulo de controle de luminosidade do LED é apresentado na Figura
4.4.
Figura 4.4 – Ilustração dos módulos de controle por PWM do módulo de
análise. Onde (a) Módulo de controle de temperatura; (b) Módulo de controle do
brilho do LED.
O objetivo do uso da ferramenta de PWM aplicada ao controle do brilho do
LED no fotômetro foi garantir um melhor gerenciamento do equipamento desenvolvido
neste trabalho, possibilitando o controle digital de luminosidade do LED, resultando em
um equipamento com controle automático.
5
o
CAPÍTULO
DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM
ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO
EM FLUXO
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS
EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
5.1 Introdução
O Arsênio está presente no meio ambiente em uma grande variedade de
formas químicas, tanto em compostos inorgânicos e quanto em estruturas orgânicas;
nas formas trivalente e pentavalente, como resultado de sua participação em
complexos biológicos, processos químicos e algumas aplicações industriais, tais como:
manufatura de vidros (ELLWOOD; MAHER, 2003), materiais semicondutores e
fotocondutores (DASGUPTA et al., 2003), preparados farmacêuticos e remédios
(FOWLER et al., 2007; BOLZAN, 2007), entre outros. Na agricultura, o arsênio é
utilizado na formulação de herbicidas (BARRA et al., 2000), algicida, inseticida (NETO;
MONTES; CARDOSO, 1999), conservante de madeira (JANKOWSKY, 1990) e
desfolhantes (CAMPOS et al., 2007).
Alimentos provenientes da flora e fauna marinha contêm compostos de
arsênio, pois nas vias metabólicas desses organismos, o nitrogênio e o fósforo podem
ser facilmente trocados por ele (SANTOS, 2006). Altos níveis de toxicidade de arsênio
são muito bem conhecidos, pois compostos de arsênio são facilmente absorvidos, tanto
oral quanto por inalação, sendo a absorção dependente da solubilidade do composto
(ELLWOOD; MAHER, 2003).
Barra et al., (2000) e Santos (2006) apresentam algumas espécies de
arsênio de interesse em estudos de especiação, com seus respectivos valores de
a
p
Κ
,
que proporcionam uma idéia das formas possíveis em função do pH. Estas formas e
respectivos valores são apresentados na Tabela 5.1.
97
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Tabela 5.1 – Estruturas químicas de espécies orgânicas de arsênio e
correspondentes valores de
a
p
Κ
Composto Fórmula
a
p
Κ
Arsina
-
Ácido arsenioso
As (III)
9,3
Ácido arsênico
As (V)
2,3
6,9
11,4
Ácido monometilarsônico
MMAA (V)
3,6
8,2
Ácido dimetilarsínico
DMAA (V)
1,6
6,2
Arsenobetaína
(AsB)
4,7
Arsenocolina
(AsC)
-
FONTE - Barra et al., (2000).
Diferentes espécies de um mesmo elemento possuem diferentes
mobilidades, biodisponibilidades, impactos toxicológicos e ecotoxicológicos (CAMPOS
et al., 2007). A distribuição de diferentes espécies químicas de um elemento em um
98
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
sistema significa que o mesmo está presente em diferentes formas. Outro fator
importante é a relação existente entre as diferentes espécies químicas de um
determinado elemento e a sua toxicidade, uma vez que esta é fortemente dependente
de sua forma química, pois possuem comportamento diferenciado, que pode ser devido
aos diferentes estados de oxidação do elemento ou grau de alquilação (SANTOS,
2006).
Segundo Barra et al., (2000), a ordem decrescente de toxicidade dos
compostos de arsênio, é a seguinte: arsina > arsenito > arseniato > ácidos alquil-
arsênicos > compostos de arsônio > arsênio elementar. O arsênio trivalente (arsenito) é
60 vezes mais tóxico do que a forma oxidada pentavalente (arseniato). Os compostos
inorgânicos são 100 vezes mais tóxicos do que as formas parcialmente metiladas (MMA
e DMA).
As(III) e As(V) são as espécies mais tóxicas, enquanto arsenobetaína (
AsB
)
e arsenocolina (
AsC
) são relativamente não tóxicas (BARRA et al., 2000). A
50
LD
(dose
letal para 50% de uma população) para As
2
O
3
em ratos é de 20 mg kg
-1
( PETROPULU;
VARSAMIS; PARISSAKIS, 1997), para KAsO
2
é de 14 mg kg
-1
, para Ca
3
(AsO
4
)
2
é de
20 mg kg
-1
, para ácido monometilarsônico (MMAA) é de 700-800
mg
1
kg
−
, para ácido
dimetilarsínico (DMAA) é de 700-2600 mg kg
-1
, enquanto que para arsenobetaína e
para arsenocolina não foi observado sinal de toxicidade em camundongos após dose
oral de 10 g kg
-1
e de 6,5 g kg
-1
respectivamente (LE; MA, 1997).
A quase totalidade do arsênio absorvido fica localizado inicialmente na fração
eritrócita (glóbulos vermelhos) do sangue. O elemento deixa rapidamente a corrente
sangüínea e deposita-se nos tecidos, armazenando-se principalmente no fígado, rins e
pulmões. É depositado nos cabelos, sendo que esta deposição ocorre cerca de duas
semanas após a administração, permanecendo neste local durante anos. É também
depositado nos ossos onde fica retido por longos períodos (SANTOS, 2006).
Dentre os efeitos tóxicos decorrentes da exposição das espécies químicas
do arsênio, são relatadas doenças tais como: conjuntivite; hiperqueratose,
hiperpigmentação, doenças renais e cardiovasculares, distúrbios no sistema nervoso
99
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
central, hepático, hematológico e vascular periférico, câncer de pele e gangrena nos
membros.
5.2 Determinação de Arsênio
Muitos procedimentos para determinação de arsênio têm sido propostos
empregando cromatografia líquida de alta eficiência acoplada espectroscopia de
massas induzida por plasma (MARTÍNEZ-BRAVO et al., 2001), espectrofotometria de
fluorescência atômica (KARADJOVA et al., 2005), extração em fase sólida
(ANTHEMIDIS; MARTAVALTZOGLOU, 2006), espectrometria de absorção atômica
(BEHARI; PRAKASH, 2006), potenciometria (PIECH; KUBIAK, 2007),
espectrofotometria (DHAR et al., 2004; KANEKO, 2006; CORDERO; CAÑIZARES-
MACÍAS, 2009; MORITA; KANEKO, 2006), entre outras.
Os métodos para determinação de arsênio inorgânico, nos estados de
oxidação III e V, ou pela soma de ambos, normalmente envolvem a geração de hidreto,
como alternativa para remover a interferência da matriz da amostra, onde a reação das
espécies inorgânicas de arsênio formam arsina (AsH
3
). De modo geral, o arsênio
inorgânico total [As(III) + As(V)], é feita a redução de As(V) a As(III) e determina o
arsênio inorgânico como As(III) (BARRA et al., 2000). Segundo Braman (1977), a
geração de hidreto pode ser abordada de duas maneiras: pela redução do arsênio em
meio ácido por metais ativos como zinco ou magnésio; e pela redução do arsênio com
boro-hidreto de sódio (NaBH
4
).
Dhar et al., (2004), determinaram arsênio inorgânico em águas subterrâneas
por espectrofotometria. Os autores utilizaram um complexo de tartarato de antimônio,
na presença de ácido ascórbico e iodato de potássio, onde o As(III) presente em
solução era oxidado à As(V). O complexo formado foi monitorado na região do
infravermelho próximo (
λ
= 835 nm). Segundo os autores, o processo apresentou
resposta linear na faixa de 10 a 1000 µg L
-1
de arsênio, e concluíram que o método
100
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
apresentava boa precisão (97,0 ± 5,0 %, n = 10) quando comparado com outros
métodos analíticos.
Anthemidis e Martavaltzoglou (2006) desenvolveram um método de
determinação de arsênio inorgânico total, empregando extração em fase sólida com
geração de hidreto, e determinação por espectrometria de absorção atômica. Neste
procedimento, os autores utilizaram como estrutura de extração uma mini-coluna de
PTFE quimicamente modificada, que acumulava em sua estrutura, o complexo arsênio/
pirolidina ditiocarbamato. Posteriormente, o complexo retido era eluído e reagia com
NaBH
4
, gerando arsina que era monitorada a 193 nm. Segundo os autores, a faixa de
resposta linear situava entre 0,04–5,0 µg L
-1
de As(III) e o limite de detecção foi de 0,02
µg L
-1
. O método apresentou boa tolerância aos possíveis interferentes catiônicos,
sendo 5 g L
-1
para Na e K, 300 mg L
-1
para Ca e MG. Não apresentando interferência
significativa para possíveis interferentes aniônicos como o Cl
−
mesmo em altas
concentrações (10 g L
-1
).
Karadjova et al., (2005), propuseram um método para a determinação de
arsênio inorgânico, nos estados de oxidação III e V, e arsênio orgânico, nas formas
monometilada e dimetilada, em vinhos brancos e tintos por florescência atômica. O
método era baseado na atomização da arsina formada pela reação do arsênio presente
na amostra com boro-hidreto de sódio. Para auxiliar na reação foi utilizado L-cisteína
para pré-redução e complexação das possíveis espécies de arsênio presentes, como
arsenito, arsenato, ácido monometilarsônico (MMAA), ácido dimetilarsínico (DMAA).
Ainda sobre o método de Karadjova et al., (2005), na diferenciação entre as
espécies de arsênio presentes na amostra, os autores se basearam na geração seletiva
de arsina utilizando diferentes meios reacionais, tendo como objetivo de inibir algumas
reações, como por exemplo: tampão citrato pH 5,1 para As(III); 0,2 mol L
-1
de ácido
acético para arsenito e dimetilarsínico (DMAA); 8 mol L
-1
de HCl para arsênio inorgânico
total [As(III) +As(V)]; e monometilarsônico (MMAA) efetuando pela diferença. Segundo
estes autores, o procedimento proposto apresentou as seguintes características: limite
de detecção de 0,12; 0,27; 0,15; e 0,13 µg L
-1
(de As); desvio relativo nas faixas de 2-
6%, 5-9%, 3-7% e 2-5% para As(III), As(V), MMAA e DMAA, respectivamente.
101
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Relataram, também, que o método apresentou desvio padrão relativo de 2,5%,
freqüência analítica de 52 determinações por hora e freqüência de preparo de amostra
de 10 amostras por hora.
Kundu et al., ( 2002a), propuseram a determinação espectrofotométrica (
λ
=
660) de arsênio inorgânico empregando um procedimento de descoloração do azul de
metileno em meio micelar. Neste procedimento, o NaBH
4
reage com As(III) produzindo
AsH
3
. Segundo estes autores este método é livre de interferentes. Na avaliação destes
autores, o método é rápido, prático e com boa reprodutibilidade, de baixo custo e
ambientalmente amigável. Obtiveram uma faixa de resposta linear de 0,01 a
0,12 mg L
-1
.
5.2.1 Classificação dos surfactantes segundo seu grupo hidrofílico
A palavra surfactante teve origem da contração da seguinte expressão em
inglês: “surface-ative agent”. Assim, um surfactante (também chamado tensoativo) é
uma substância que abaixa a tensão superficial do meio no qual é dissolvido, ou a
tensão interfacial entre outras fases (ar/água, óleo/água ou sólido/líquido). Essa
definição operacional identifica estas substâncias como agente de superfície ativa,
característica a partir da qual seu nome foi derivado
21
.[apud Bezerra e Ferreira (2006)].
Estruturalmente, os surfactantes são substâncias orgânicas anfipáticas
22
, ou
seja, suas moléculas apresentam uma longa cadeia hidrofóbica e um pequeno grupo
21
MYERS, D. Surfaces, interfaces and colloids: Principles and applications. 2
th
Ed. New York, VCH, 1991,
433 f.
22
Moléculas anfipáticas são moléculas que apresentam a característica de possuírem uma região
hidrofílica (solúvel em meio aquoso), e uma região hidrofóbica (insolúvel em água, porém solúvel em
lipídios e solventes orgânicos).
102
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
carregado ou polar hidrofílico. Neste sentido, pode-se dizer que os surfactantes
possuem duas regiões com características distintas: uma polar hidrofílica e outra apolar,
hidrofóbica. A região hidrofílica é normalmente constituída, por grupos não-iônicos
polares, iônicos. A região apolar normalmente é constituída por cadeias carbônicas,
contendo de oito a dezoito átomos de carbono (PRETÉ, 2006). A Figura 5.1 apresenta
a fórmula estrutural de um surfactante aniônico.
Figura 5.1 – Fórmula estrutural
23
de um surfactante aniônico: (a) cadeia
hidrofóbica e (b) cadeia hidrofílica iônica.
Como apresentado anteriormente, devido a sua dualidade de polaridade,
essas moléculas se adsorvem nas interfaces ar/água, ou superfície de sólidos. Por isso,
elas também podem se auto-associar, formando agregados de diversos tipos,
dependendo de seu tamanho e forma. Os surfactantes são classificados de acordo com
seu tipo de carga em sua região polar: aniônicos, catiônicos e não-iônicos (MANIASSO
2001; PRETÉ, 2006; BEZERRA; FERREIRA, 2006).
Um surfactante típico possui a estrutura R-X, em que R é uma cadeia que
pode variar de 8 a 18 átomos de carbono (geralmente linear) e X é o grupo cabeça
23
Ilustrações adaptadas de http://www.wikipedia.org. Disponível via acesso em 28 de fevereiro 2010.
http://pt.wikipedia.org/wiki/Dodecil_sulfato_de_s%C3%B3dio.
103
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
polar ou iônico. A classificação dos surfactantes podem se basear na natureza de X.
Sendo assim, os surfactantes podem pertencer a uma das quatro categorias seguintes:
não iônicos, catiônicos, aniônicos e anfóteros (MANIASSO 2001; SOUZA, 2001). A
Tabela 5.2 apresenta a classificação e as características dos surfactantes de uso mais
comum em Química Analítica.
Segundo Maniasso (2001), um surfactante catiônico possui a fórmula geral
−+
YXR
n
, onde R representa uma ou outra cadeia hidrofóbicas, X é um elemento capaz
de formar uma estrutura catiônica, e Y é um elemento contra-íon. Em princípio, X pode
ser N, P, As, Sb, Bi, S, Te e os halogênios. Dentre os surfactantes aniônicos, os mais
utilizados são: (a) sais de ácidos carboxílicos monopróticos (ácidos graxos) ou
polipróticos com metais alcalinos ou alcalinos terrosos; e (b) derivados de ácidos, como
sulfúrico, sulfônico e fosfórico contendo um substituinte de hidrocarboneto saturado ou
insaturado. Para os surfactantes anfóteros, a principal característica é possuir em sua
estrutura ambos os grupos aniônico e catiônico podendo apresentar carga positiva ou
negativa a depender do pH do meio. Os surfactantes anfóteros mais comuns incluem o
N-alquil e C-alquil betaína e sultaína, como também álcool amino fosfatidil e seus
ácidos. Por fim, os surfactantes não iônicos são derivados do polioxietileno e
polioxipropileno (de compostos com alquil fenol e álcool, ésteres de ácidos graxos,
alquilamínas, amidas e mercaptanas) ou poliálcoois graxos e óxidos de amidas graxa.
104
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Tabela 5.2 - Classificação e características dos surfactantes de uso comum
em Química Analítica.
Classe Característica Exemplo
Catiônicos
Grupo hidrofílico suporta uma carga
positiva, como, por exemplo, haletos
de amônio quaternário.
Br)CH(N)CH(CH
31523
+
Brometo de cetiltrimetil amônio;
Abreviatura correspondente [CTAB].
Aniônicos
Grupo hidrofílico suporta uma carga
negativa, como, por exemplo, grupos
carboxila (R-COO
-
), sulfonato
(R-SO
3
-
) ou sulfato (R-O-SO
3
-
).
+
NaSO)CH(CH
41123
Dodecil sulfato de sódio;
Abreviatura correspondente [SDS].
Não
iônicos
O grupo hidrofílico não tem carga,
sua solubilidade se deve a grupos
altamente polares como, por
exemplo, grupos hidroxila (-OH) ou
menos polares como unidades de
óxido de etileno.
OH)CHOCH()CH(CH
23221123
Polioxietileno (23) dodecanol;
Abreviatura correspondente [Brij 35].
Anfóteros
Possuem ambos os grupos aniônicos
e catiônicos e, dependendo do pH da
solução e da estrutura, pode
prevalecer a espécie aniônica,
catiônica ou neutra.
−+
COO)CH()CH(N)CH(CH
3231123
4-(dodecildimetil amônio) butirato;
Abreviatura correspondente [DAB].
Fonte: adaptado de Bezerra; Ferreira, 2006
5.2.2 Formação de meio micelar para determinação de arsênio
Devido à complexidade de algumas matizes, ou o baixo teor dos
constituintes de interesse e a presença de interferentes em potencial, o desempenho
das técnicas analíticas, quantitativas ou não, podem ser minimizado ou mesmo
inviabilizado. Em virtude disso, dentre outras técnicas de preparo de amostras, o uso de
ambientes organizados, denominados de ambientes micelares ou meio micelar, pode
105
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
ser citada como uma das técnicas de eliminação de interferentes (MANIASSO, 2001). A
Figura 5.2 apresenta uma estrutura micelar em corte formada por de um surfactante
aniônico.
Figura 5.2 - Estrutura micelar
24
em corte formada por surfactantes aniônico.
Segundo Bezerra e Ferreira (2006), o uso de ambientes organizados
formados por associação de moléculas de surfactantes em Química Analítica é uma
prática bastante comum. A utilização dos surfactantes na melhoria dos métodos
analíticos se deve ao fato de eles possuírem, quando em solução, a capacidade de
modificar algumas propriedades químicas (propriedades reacionais) e físicas (tensão
superficial, densidade, viscosidade, pressão osmótica, etc.) do sistema ao qual estão
integrados. Essas modificações trazem benefícios em relação à solução original, pois
24
Ilustração adaptada de
www.biorom.uma.es
. Disponível via acesso em 13 de abril 2010.
http://www.biorom.uma.es/contenido/UPV_EHU/moleculas/jpg/micela.jpg
106
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
permitem manipulá-la de forma mais cômoda e eficiente, melhorando, assim, o
desempenho do método tanto em termos de sensibilidade quanto de seletividade.
As modificações das propriedades químicas e físicas provocadas pela
formação do meio micelar citadas por Bezerra e Ferreira (2006), podem ser vantajosas,
dependendo da técnica utilizada, pelos seguintes aspectos: aumento na eficiência da
nebulização; aumento da solubilidade de substâncias em diferentes solventes; aumento
da compatibilidade entre as fases aquosa e orgânica; aumento da homogeneidade da
solução por meio da emulsificação de pequenas partículas; conservação e estabilização
de amostras coletadas e armazenadas por longos períodos e melhoria das
propriedades ópticas das soluções, principalmente em espectrometria de absorção
molecular. Como benefícios em termos de propriedades químicas, podem-se citar:
aumento da eficiência na formação de espécies voláteis em técnicas de geração de
hidretos; modificação da posição de equilíbrio de uma reação e favorecimento de uma
espécie química e catálise de reações (SANZ-MEDEL et al., 1999).
KUNDU et al., (2002b), propuseram a determinação espectrofotométrica (
λ
=
660 nm) de arsênio inorgânico em águas empregando meio micelar de dodecil sulfato
de sódio. Estes autores utilizaram como agente colorimétrico o azul de metileno que era
descolorido pela reação com AsH
3
(arsina) produzida pela reação de NaBH
4
(boro-
hidreto de sódio) com o arsênio inorgânico em solução, nos estados de oxidação III e V.
Segundo estes autores, o método é isento de interferência de fosfatos e silicatos,
considerados os principais interferentes para a determinação de arsênio. Da mesma
forma, estudos realizados por estes autores demonstram que íons metálicos como
Fe
2+
/Fe
3+
, Ca
2+
, Mg
2+
, Na
+
, K
+
e os halogênios Cl
–
, Br
–
e I
–
, da mesma forma não
apresentam interferência. Na avaliação destes autores, obtiveram três faixas lineares de
0,00 a 8,63 mg L
-1
, 0,00 a 1,11 mg L
-1
e 0,00 a 0,11 mg L
-1
, com limites de detecção
1,30; 0,53 and 0,03 mg L
-1
, respectivamente.
107
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
5.3 Objetivos
No presente trabalho, foi proposto o desenvolvimento de instrumentação e
procedimento analítico automático para a determinação fotométrica de arsênio em
águas. Visando a miniaturização do sistema, a minimização do consumo de reagentes
e a redução do volume de efluente gerado, o módulo de análise e o detector fotométrico
foram integrados na mesma unidade, e o procedimento analítico foi implementado
empregando MCFA (REIS et al., 1995; REIS et al., 1997).
A seguir, são descritos o desenvolvimento da instrumentação e dos
procedimentos automáticos para a determinação de arsênio em águas servidas para
consumo humano empregando multicomutação em fluxo e determinação fotométrica.
5.4 Equipamentos e acessórios
Para o desenvolvimento da instrumentação e procedimentos automáticos
para a determinação das espécies químicas de interesse desse trabalho, empregando
multicomutação em fluxo e detecção fotométrica, utilizou- se os seguintes materiais e
acessórios, descritos a seguir:
•
Vidrarias de aferição classe A;
•
Micropipetas de 20-200µL, 100-1000µL, 1000-5000µL (Nichiryo
, modelo
Nichipet EX, Japão);
•
Balança analítica (Mettler-Toledo
, modelo AX304, Portugal);
•
Banho de ultrassom (Thornton
, Brasil);
•
Espectrofotômetro (Femto
, modelo 700 plus, Brasil) com faixa espectral 195
a 1100 nm e largura de banda de 5 nm;
108
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
•
Espectrofotômetro de varredura multicanal (Ocean Optics
, USB2000,
Estados Unidos), com 2048 canais linhas, para medição da banda de
radiação dos LEDs de auto-brilho para as determinações fotométricas;
•
Bomba peristáltica com módulo de controle via microprocessador
(ISMATEC
, modelo IPC, Suíça), de 8 canais;
•
Válvulas solenóides de 3 vias (NResearch
, modelo 161K031);
•
Válvulas solenóides de 3 vias por estrangulamento (NResearch
, modelo
161P041);
•
Válvulas estrangulamento normalmente aberta - N/A (NResearch
, modelo
161P011);
•
Válvulas estrangulamento normalmente fechada - N/F (NResearch
, modelo
161P021);
•
Tubos de polietileno (PE) de diâmetro interno (d. i.) 0,8 mm foram utilizados
para a confecção das linhas de fluxo.
•
Uma fonte simétrica estabilizada (+12 e -12 Volts) foi utilizada para
alimentação do fotômetro.
•
Uma fonte estabilizada 12 Volts, corrente de 1 A para alimentar as mini-
bombas solenóides.
•
Uma interface de potência microcontrolada utilizando o circuito integrado
ULN2803A e um microcontrolador (Microchip
, modelo PIC 18F2553),
empregada no acionamento das válvulas solenóides através da porta USB
2.0 de um computador.
•
Uma interface de programação para microcontroladores (Microchip
, modelo
PicKit-02), através da porta USB 2.0 de um computador.
109
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
•
Software MPLabV8.43
25
.
•
Fotodetector o CI OPT301, (Burr-Brown
Instruments, modelo hermético TO-
99), com resposta espectral na faixa de 300 a 950 nm;
•
Multímetro digital (Minipa
, modelo ET-2231) com saída serial RS-232;
•
Microcontrolador (Microchip
, modelo PIC 18F2553) com A/D interno de
resolução de 12 bits.
5.5 Limpeza de materiais
Todos os materiais utilizados para o preparo das soluções foram lavados
conforme seqüência apresentada a seguir: deixados imerso em solução 1:10 (v/v) de
detergente Neutro livre de fósforo (SPLL
), por 30 minutos; 5 enxágües com água
corrente; banho ácido com solução de ácido clorídrico com diluição 1:4 (v/v) com água
destilada; 5 enxágües com água destilada e deionizada. As vidrarias não volumetrias
eram secas em estufa a 60ºC, por uma hora e as volumétricas à temperatura ambiente.
Nos casos de vidrarias especiais como balões volumétricos e pipetas, um banho de
ultrassom e solução SPLL
por 15 minutos no início da etapa.
25
Software disponibilizado pela Microchip
para desenvolvimento de circuitos para microcontroladores.
Disponível via acesso em 10 de abril 2007:
http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS
_GET_PAGE&nodeId=1406&dDocName=en019469
110
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
5.6 Amostras
As amostras de água mineral de várias procedências foram adquiridas no
mercado de Piracicaba-SP e foram analisadas sem tratamento prévio.
5.7 Reagentes e soluções
Para o desenvolvimento dos diversos procedimentos analíticos descritos
neste trabalho, todas as soluções foram preparadas com água destilada e deionizada
com condutividade elétrica menor do que 0,1 µScm
-1
, utilizando reagentes de grau
analítico com pureza superior a 99,5 % (Merck, Sinth, Fluka, Carlos Erba).
5.7.1 Soluções empregadas para a determinação de arsênio
•
Solução estoque de As(V) 1000 mg L
-1
, preparadas diariamente dissolvendo-se
0,2189 g de NaHAsO
4
.
7H
2
O em 100 mL de água em balão volumétrico.
•
Solução estoque de As(III) 1000 mg L
-1
, preparadas diariamente dissolvendo-se
0,1743 g de NaAsO
2
em 100
mL
de água em balão volumétrico.
•
Solução estoque de Triton X-100 ou surfactante aniônico: polietileno glicol p-
(1,1,3,3-tetrametilbutil)-fenil éter, 0,8 mmol L
-1
, preparadas dissolvendo-se 500 µL
de C
14
H
22
O(C
2
H
4
O)
10
em 500 mL de água previamente. Após repouso de 15
minutos para eliminar as bolhas presentes, elevou-se o volume para 1000 mL em
balão volumétrico.
•
Solução estoque de azul de metileno 0,5 mmol L
-1
, preparadas dissolvendo-se
0,0160 g de C
16
H
18
N
3
SCl em 50 mL de água previamente. A solução foi
111
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
acondicionada em banho de ultrassom por 15 minutos para facilitar a dissolução.
Posteriormente, elevou-se o volume para 100 mL em balão volumétrico.
•
Solução estoque As(III) 10 mg L
-1
, preparada pela diluição da solução-padrão
estoque de As(III) 1000 mg L
-1
em água;
•
Solução estoque As(III) 0,1 mg L
-1
, preparada pela diluição da solução-padrão
estoque de As(III) 10 mg L
-1
em água;
•
Solução referência de As(III) de 0,0 a 100 µg L
-1
, foram preparada pela diluição
da solução-padrão estoque de As(III) 0,1 mg L
-1
em água;
•
Solução de boro-hidreto de sódio (R
1
) 0,1 mol L
-1
, preparada diariamente
dissolvendo 0,3783 g de NaBH
4
em aproximadamente 100 mL, e o volume
completado com água destilada. A solução preparada era acondicionada em
banho de gelo para conservação.
•
Soluções de azul de metileno de 7,5 a 60 µmol, preparada pela diluição da
solução-padrão estoque de azul de metileno (0,5 mmol L
-1
), em 200 mL solução
estoque de Triton X-100 (0,8 mmol L
-1
);
•
Solução estoque As(V) 10 mg L
-1
, preparada pela diluição da solução-padrão
estoque de As(V) 1000 mg L
-1
em água;
•
Solução estoque As(V) 0,1 mg L
-1
, preparada pela diluição da solução-padrão
estoque de As(V) 10 mg L
-1
em água;
•
Soluções de referência de As(V) de 0,0 a 100 µg L
-1
, preparada pela diluição da
solução estoque de As(V) 0,1 mg L
-1
em água;
5.8 Fotômetro
O fotômetro desenvolvido e empregando neste estudo, utilizou como
fotodetector o CI OPT301, com resposta espectral na faixa de 300 a 950 nm. As
condições e configurações de montagem foram mantidas as mesmas já apresentadas
no item 3.8.
112
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
5.9 Interface de controle do módulo de análise
Da mesma forma que as mini-bombas solenóides, as válvulas solenóides de
três vias e uma válvula solenóide de estrangulamento funcionam com uma diferença de
potencial de 12 V e intensidade de corrente da ordem de 200 mA. Os sinais de controle
enviados pelo Microcontrolador PIC 18F2553 são no padrão TTL: diferença de potencial
entre 3 e 5 V; e intensidade de corrente de alguns miliampéres, portanto é necessário
empregar uma interface de potência para fazer a compatibilização. Na Figura 5.4 é
apresentada a configuração empregada para funcionamento da interface utilizando um
microcontrolador.
Figura 5.3 – Ilustração do módulo de controle microcontrolado utilizando o CI
PIC18F2553 como dispositivo de controle e o CI ULN 2803 como interface de
controle.
113
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
5.10 Módulo de análise
O módulo de análise desenvolvido para a determinação de arsênio, é
mostrado na Figura 5.4. O fotômetro empregado foi o mesmo mostrado na Figura 3.4. A
cela de fluxo com caminho óptico de 100 mm possuía a mesma geometria da mostrada
na Figura 3.6. O módulo de análise foi elaborado empregando válvulas solenóide de
três vias, uma válvula solenóide de estrangulamento e uma bomba peristáltica como
propulsora de fluídos. Um agitador montado no laboratório foi incorporado à câmara de
mistura para promover a mistura das soluções, permitindo também a eliminação das
bolhas de gás liberadas em virtude da presença da solução de boro-hidreto.
114
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Figura 5.4 - Diagrama de fluxo do módulo de análise para determinação de
arsênio em águas, onde: A = amostra; R
1
= azul de metileno 0,5 x10
-4
mmol L
-1
em meio micelar de Triton X-100, 0,8 mmol L
-1
; R
2
= NaBH
4
0,25 mol L
-1
; Ca =
solução transportadora, Triton X-100, 0,8 mmol L
-1
; B1 = reator helicoidal com
100cm, d. i. 0,8 mm; x = ponto de confluência; V
1
, V
2
, V
3
e V
4
= válvulas
solenóides de 3 vias; V
5
= válvulas solenóides de 3 vias por estrangulamento;
Bp = bomba peristáltica; DET = detector. Diagrama de tempo, onde: t
1
, t
2
, t
3
, t
4
,
e t
5
= tempos de acionamento de A, R
1
, R
2
, T e V
5
, respectivamente.
115
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Ao selecionar o programa de controle, o computador definia os valores das
variáveis de comando do módulo de análise, tais como: tempo de acionamento das
válvulas solenóide para inserir a amostra, as soluções de reagentes e solução de
transportadora na câmara; intensidade de brilho do LED e faixa de tolerância para
leitura; número de replicatas; tempo de leitura de sinal. Após fornecer estes parâmetros
de controle, o computador transferia essas informações para o microcontrolador através
da interface USB. A partir desse instante, o microcontrolador assumia o controle do
módulo de análise, realizando todas as etapas do processo analítico. Após a conversão
da diferença de potencial para digital, as leituras eram transmitidas para computador via
comunicação USB 2.0.
Inicialmente, o microcontrolador estabelecia a comunicação USB com o
computador, e transmitia para computador os sinais de controle, confirmando que todos
os dispositivos do sistema estavam prontos para trabalhar. Após esta etapa, o
microcontrolador verificava se a cela de fluxo estava cheia, suja ou com bolha de ar.
Estando a cela de fluxo cheia com a solução transportadora, o fotômetro deveria gerar
uma diferença de potencial em torno de 2000 mV. Quando a leitura era menor que este
valor, indicava que cela de fluxo estava suja ou com bolha de ar. Então,
automaticamente, a válvula V
5
era acionada durante 30 s para esvaziar a cela. Após
essa etapa, as válvulas V
2
e V
5
eram ligadas durante 30 s para lavar a cela com a
solução transportadora. Estas duas etapas eram repetidas até 3 vezes para recuperar a
leitura de 2000 mV, em caso contrário, era emitido um sinal sonoro para avisar o
usuário.
Após conclusão da etapa de limpeza da cela de fluxo, o fotômetro era
ajustado automaticamente (rotina de calibração) e dava início à rotina de análise
(amostragem). Na rotina de análise, a válvula V
1
era acionada durante 15 s para inserir
uma alíquota da solução da amostra, seguido do acionamento da válvula V
2
durante 3 s
para inserir uma alíquota de solução transportadora. Em seguida, eram inseridas as
alíquotas das soluções dos reagentes, acionando as respectivas válvulas durante
intervalos de tempo previamente definidos. O agitador era acionado durante 2 s e
posteriormente a solução de boro-hidreto de sódio era inserida câmara, e o agitador
116
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
sendo novamente acionado durante 6 s para completar a mistura, e assim favorecendo
a reação o arsênio com boro-hidreto para formar arsina. A arsina gerada reagia com o
azul de metileno e promovia a descoloração dessa solução. Após esta etapa, a válvula
V
5
era ligada, e o produto da reação era deslocado para a cela de fluxo por aspiração.
O sinal analítico era lido pelo microcontrolador através do A/D interno, e executava
cerca de 40.000 leituras em 0,5 s. A média das leituras em diferença de potencial (mV)
era transformada em absorbância e enviada para o computador via interface USB 2.0.
Enquanto a etapa de leitura estava em curso, um gráfico do sinal em função do tempo
era mostrado na tela do monitor de vídeo, permitindo sua visualização em tempo real.
Os dados eram salvos em arquivos no computador no padrão ASCII para
processamento posterior. A lógica de execução do programa desenvolvido é mostrada
na Figura 5.5.
117
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Figura 5.5 - Fluxograma do software embarcado do módulo de análise.
118
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
5.11 Testes preliminares
O método escolhido é baseado na reação entre arsênio inorgânico nos
estados de oxidação III e V, formando arsina, a qual reage com azul de metileno em
meio micelar causando diminuição de sua coloração. Esta reação ação é proporcional à
concentração de arsênio III e V em solução. Testes qualitativos preliminares indicaram
que a reação entre arsina e o azul de metileno em meio micelar ocorria rapidamente à
temperatura ambiente (28ºC). Alguns estudos dos parâmetros considerados
importantes para otimizar as condições experimentais, resultando em uma maior
sensibilidade foram avaliados, os quais são apresentados a seguir.
5.11.1 Estudo do tempo de vida útil do azul de metileno em meio
micelar
A estabilidade da solução de azul de metileno em meio micelar foi
investigada, avaliando o tempo de vida útil desta solução, processando-as logo após o
preparo da solução e 5 horas depois (período da tarde). Neste experimento foi usada
uma solução de referência contendo 50 µg L
-1
de As(III). A mesma solução de azul de
metileno, um conjunto de soluções de referência com concentração de As(III) 0,0; 0,5;
10 e 20 µg L
-1
foram processadas no final do experimento. Esta mesma solução de
reagente foi usada para repetir o experimento 5 dias depois. Durante o período de
envelhecimento, a solução de azul de metileno foi mantida em frasco âmbar, à
temperatura ambiente de 30ºC.
A concentração do meio micelar de Triton X-100, a concentração de azul de
metileno e boro-hidreto de sódio foram mantidas constantes, em 0,8 mmol L
-1
, 50 mmol
L
-1
e 0,25 mol L
-1
, respectivamente, e o acionamento do motor para promover a mistura
foi mantido durante 10 s. Os tempos de acionamento das válvulas para inserção das
119
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
soluções padrão e dos reagentes, foram fixados da seguinte forma: 20 s para padrões;
40 s para azul de metileno em meio micelar de Triton X-100; e 20 s para boro-hidreto de
sódio. A rotação da bomba peristáltica foi fixada de modo a se obter uma vazão de 2
mL min
-1
para o bombeamento dos padrões e solução transportadora, e 1 mL min
-1
para
as soluções dos reagentes azul de metileno em meio micelar e boro-hidreto de sódio.
5.11.2 Estudo do tempo para desenvolvimento da reação
O emprego de um motor para fazer a mistura entre as soluções permitiu a
obtenção de ótima homogeneização com um período de tempo curto (6 s). Em seguida
a mistura era deslocada para a cela de fluxo acionando a válvula V
5
por um intervalo de
tempo de 20 s. Após essa etapa, era monitorado o sinal gerado pelo fotômetro em
função do tempo. Foram usadas soluções de referência com concentrações de 0,0;
25,0; 50,0; 75,0 e 100,0 µg L
-1
As(III) e as replicatas foram repetidas para intervalos de
tempos de 15, 30 e 45 s. As demais condições experimentais formam mantidas as
mesmas apresentadas no item 5.11.1
5.11.3 Estudo da concentração de azul de metileno
O estudo do efeito da concentração da solução de azul de metileno sobre o
sinal gerado foi estudado, utilizando as concentrações em 7,5; 15,0; 30,0 e 60,0 µmol L
-
1
de azul de metileno. Nestes experimentos, foi usado soluções de referência com
concentração de As(III) de 0,0; 0,5; 10 e 20 µg L
-1
. A concentração do meio micelar de
Triton X-100 e boro-hidreto de sódio foram mantidas constantes, em 0,8 mmol L
-1
e 0,25
mol L
-1
, respectivamente. As demais condições experimentais formam mantidas as
mesmas apresentadas no item 5.11.1. O aumento da concentração de azul de metileno
120
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
tinha como objetivo avaliar o aumento do coeficiente angular das curvas geradas,
resultando no aumento da sensibilidade do método em estudo.
5.11.4 Estudo do meio reacional
O estudo do efeito da concentração micelar de Triton X-100 sobre o sinal
gerado foi estudado, variando as concentrações em 0,8; 16; 32 e 64 mmol L
-1
de Triton
X-100. Nestes experimentos, foi usado soluções de referência com concentração de
As(III) de 0,0; 0,5; 10 e 20 µg L
-1
e a concentração de azul de metileno e boro-hidreto
de sódio foram mantidas constantes, em 30,0 µmol L
-1
e 0,25 mol L
-1
, respectivamente.
As demais condições experimentais formam mantidas as mesmas apresentadas no
item 5.11.1.
5.11.5 Estudo do volume de NaBH
4
O volume de boro-hidreto de sódio na zona da amostra foi avaliado para a
quantificação de arsênio em águas. Utilizando-se o módulo de análise apresentado na
Figura 5.4 e estabelecendo os tempos de acionamento da V
4
em 10; 20; 30 e 40 s,
resultando em na inserção de 167; 334; 501 e 668 µL de boro-hidreto de sódio,
respectivamente. Neste experimento, foi usado soluções de referência com
concentrações de As(III) de 0,0; 0,5; 10 e 20 µg L
-1
e a concentração de azul de
metileno e Triton X-100 foram mantidas constantes, em 30 µmol L
-1
e 32 mmol L
-1
,
respectivamente. As demais condições experimentais formam mantidas as mesmas
apresentadas no item 5.11.1.
121
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
5.11.6 Estudo da concentração de NaBH
4
A influencia concentração de boro-hidreto na sensibilidade do procedimento
proposto foi investigada usando soluções com as seguintes concentrações: 0,10; 0,15;
0,20 e 0,25 mmol L
-1
de boro-hidreto de sódio. Nestes experimentos, foram usadas
soluções de referência com concentração de As(III) de 0,0; 0,5; 10 e 20 µg L
-1
. A
concentração de azul de metileno e Triton X-100 foram mantidas em 30 µmol L
-1
e
32 mmol L
-1
, respectivamente. As demais condições experimentais foram mantidas as
mesmas apresentadas no item 5.11.1.
5.11.7 Estudo da temperatura da solução de boro-hidreto
O estudo do efeito da temperatura da solução de boro-hidreto sobre o sinal
gerado foi investigado, comparando os resultados obtidos com as seguintes
temperaturas 0,0 e 30ºC, utilizando as mesmas soluções de referência de As(III) com
concentração de 0,0; 5,0; 10,0 e 20,0 µg L
-1
. Neste experimento, foi mantida a
concentração de azul de metileno, do meio micelar de Triton X-100 e boro-hidreto de
sódio foram mantidas constantes, em 30 µmol L
-1
, 60 mmol L
-1
e 0,4 mol L
-1
,
respectivamente. As demais condições experimentais formam mantidas as mesmas
apresentadas no item 5.11.1.
5.11.8 Estudo da proporção entre os padrões e reagentes
O estudo da proporção entre os volumes das alíquotas das soluções de
referências e dos reagentes sobre o sinal gerado foi investigado, variando os intervalos
de tempo de acionamento da válvula V
1
, e mantendo os intervalos de tempo de
122
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
acionamento das válvulas dos reagentes (V
3
e V
4
). Foi utilizado as mesmas soluções de
referência de As(III) com concentração de 0,0; 5,0; 10,0 e 20,0 µg L
-1
. Neste
experimento, a concentração de azul de metileno, do meio micelar de Triton X-100 e de
boro-hidreto de sódio foram mantidas constantes, em 30 µmol L
-1
, 60 mmol L
-1
e 0,4 mol
L
-1
, respectivamente. A solução de boro-hidreto foi mantida em banho de gelo (0,0 ºC) e
a temperatura de reação foi mantida em 30ºC. Os intervalos de tempo de acionamento
das válvulas das dos reagentes, azul de metileno e boro-hidreto (V
3
e V
4
), foram
mantidos em 20 e 10 s, respectivamente. Para o acionamento de V
1
para inserção da
solução de referência foram estabelecidos os intervalos de tempo de 40, 20 e 10 s.
A rotação da bomba peristáltica foi fixada para manter uma vazão de 2 mL
min
-1
para o bombeamento da amostra e 1 mL min
-1
para as soluções dos reagentes
azul de metileno em meio micelar e boro-hidreto de sódio.
5.11.9 Estudo da faixa de resposta linear do procedimento
Para o estudo da faixa de resposta linear foram utilizados os parâmetros
físicos otimizados para o sistema, e foram usados soluções padrões de arsenito de
sódio nas seguintes concentrações: 0,00; 2,50; 5,00; 10,0; 20,0; 40,0; 80,0 e
100,0 µg L
-1
. A concentração de azul de metileno, do meio micelar de Triton X-100 e
boro-hidreto de sódio foram mantidas constantes, em 30 µmol L
-1
, 60 mmol L
-1
e 0,4 mol
L
-1
, respectivamente. A solução de boro-hidreto foi mantida em banho de gelo (0,0 ºC) e
a temperatura de reação foi mantida em 30ºC (ambiente). Os tempos de acionamento
das válvulas das soluções de reagentes foram mantidas em 20 s para a azul de
metileno em meio micelar de Triton X-100, e 10 s para boro-hidreto, variando o intervalo
de tempo de acionamento da válvula V
1
para inserção das soluções de referência de 10
a 40 s. A rotação da bomba peristáltica foi mantida com a do item anterior.
123
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
5.11.10 Estudo da adição e recuperação de As(III) e
processamento das amostras
As amostras de água potável foram processadas empregando as condições
operacionais estabelecidas a partir da análise dos resultados otimizados obtidos nos
experimentos descritos previamente.
Estudos de adição e recuperação foram realizados adicionando quantidades
conhecidas de arsenito de sódio (5,00 e 10,0 mg L
-1
) em cinco amostras de água
mineral. As condições experimentais formam mantidas as mesmas apresentadas no
item 5.11.9.
5.12 Resultados e discussão
O método apresentado por Kundu et al., (2002a) foi selecionado, visto que o
uso de NaBH
4
aparecia dentre os métodos pesquisados, o mais interessante,tendo em
vista que não necessitava de preparo prévio de amostra. Testes iniciais demonstraram
que a reação entre arsênio(III) ou arsênio(V) com o azul de metileno em meio micelar
de Triton X-100, era rápida à temperatura de 30ºC. Nos itens seguintes são
apresentados e discutidos os resultados obtidos.
5.12.1 Efeito do tempo de vida útil do azul de metileno em meio
micelar
Neste caso, a solução de azul de metileno 0,5 x10
-4
mmol L
-1
em meio
micelar de Triton X-100 foi preparada, imediatamente antes de iniciar o experimento. Os
sinais transientes apresentados na Figura 5.6 correspondem às leituras realizadas
124
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
processando uma solução de concentração de 50 µg L
-1
de As(III). A partir desta figura
podemos deduzir que este experimento demorou em torno de 30 minutos. Observa-se
que neste intervalo de tempo não houve variação significativa na altura dos registros.
Este experimento foi repetido no período da tarde, e os resultados obtidos
foram similares aos apresentados nesta figura. Indicando, portanto que solução de azul
de metileno poderia ser usada pelo período de um dia.
Figura 5.6 – Sinais transientes referentes ao processamento de solução
contendo 50 µg L
-1
de As(III); A
625 nm
= absorbância (
λ
= 625 nm).
Em complemento aos resultados na Figura 5.6, foi avaliado, também, a vida
útil da solução de azul de metileno preparada no dia com a mesma solução depois de 5
dias. Os resultados obtidos são mostrados na Figura 5.7. Observa-se que houve
redução do sinal do branco, mas as curvas são praticamente paralelas, então
poderíamos imaginar que não haveria perda na sensibilidade. Entretanto, as barras de
125
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
erro indicam que a precisão dos resultados piorou. Portanto, não seria conveniente
trabalhar com soluções envelhecidas.
Figura 5.7 – Efeito do tempo sobre a solução de azul de metileno em meio
micelar de Triton X-100. Onde: -■- sinais da solução preparadas no mesmo dia;
-●- sinais da solução após 5 dias. As barras de erro indicam a estimativa de
desvio padrão (n = 3). A
625 nm
= absorbância (
λ
= 625 nm).
5.12.2 Efeito do tempo para desenvolvimento da reação
Conforme indicado na parte experimental, após a inserção das alíquotas das
soluções de referência de As(III) e dos reagentes na câmara, o motor era mantido
ligando durante 6 s, para se obter uma boa homogeneização da solução. Após esta
126
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
etapa, a válvula V
5
era mantida ligada durante 20 s, para encher a cela de fluxo com a
mistura. Após o monitoramento do desenvolvimento da reação, lendo o sinal gerado
pelo fotômetro, esta válvula era ligada novamente para esvaziar a cela de fluxo. Neste
experimento, foi estabelecido para repouso da amostra para permitir o desenvolvimento
da reação, os intervalos de tempo de 15, 30 e 45 s.
Figura 5.8 - Efeito do tempo para desenvolvimento da reação na magnitude
do sinal analítico. Onde: -■- 45 s; -●- 30 s; -▲- 15 s; A
625 nm
= absorbância (
λ
=
625 nm).
Os resultados obtidos são mostrados na Figura 5.8. As curvas relacionadas
aos intervalos de tempo de 15 e 30 s, são coincidentes, indicando que as reações para
formar arsina e, dessa com o azul de metileno, são rápidas. Embora, a curva
relacionada ao intervalo de tempo de 30 s, apresente sinais menores que as outras
127
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
duas, ela é paralela às mesmas, portanto não há perda significativa de sensibilidade.
Ocorreu uma diminuição da leitura do branco, mas manteve a mesma relação de sinal
gerado para as soluções de referência. Então, um intervalo de tempo de 15 s foi
estabelecido, visando diminuir o tempo de análise.
5.12.3 Efeito da concentração de azul de metileno
A concentração de azul de metileno pode afetar a magnitude dos sinais
analíticos, principalmente pelo fato de que depende de alguns fatores, tais como
temperatura, concentração de surfactante, da natureza do surfactante, etc.
Outro fator relevante é que altas concentrações de azul de metileno pode
causar aumento da linha de base ao longo do tempo, devido à adesão do reagente nas
paredes da cela de fluxo, incluindo as janelas de transmissão de radiação. Uma vez
que se trata de um indicador orgânico com boa aderência nas partes de vidro da cela
de fluxo, esta característica pode dificultar a lavagem da mesma, resultando no
aumento o tempo de limpeza, aumentando o volume do resíduo gerado e,
conseqüentemente, comprometendo a freqüência analítica.
Tomou-se como base para este estudo, a concentração de azul de metileno
de 15,0 µmol L
-1
, conforme recomendado por Kundu et al., (2002). Partindo-se desta
concentração, foram avaliadas concentrações maiores, conforme indicado no item
5.11.1. Os resultados provenientes deste experimento são apresentados na Figura 5.9,
onde se observa que não há diferença significativa entre elas.
128
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Figura 5.9 - Efeito da concentração de azul de metileno na magnitude do
sinal analítico. Onde: -■- 7,5 µmol L
-1
; -●- 15,0 µmol L
-1
; -▲- 30,0 µmol L
-1
e
-▼- 60,0 µmol L
-1
. A
625 nm
= absorbância (
λ
= 625 nm).
Em função dos resultados obtidos, optou-se por utilizar a maior concentração
estudada (60,0 µmol L
-1
) e, conseqüentemente, reduzindo-se o tempo de acionamento
da válvula V
4
para 5 s, o que resultou em um volume de 83 µL de azul de metileno em
meio micelar a ser inserido na câmara de mistura, com o objetivo de melhorar a
freqüência analítica.
129
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
5.12.4 Efeito do meio reacional
Conforme já apresentado anteriormente, o uso de ambientes organizados
formados por associação de moléculas de surfactantes em Química Analítica é uma
prática bastante comum. A utilização dos surfactantes na melhoria dos métodos
analíticos se deve ao fato de eles possuírem, quando em solução, a capacidade de
modificar algumas propriedades químicas (propriedades reacionais) e físicas (tensão
superficial, densidade, viscosidade, pressão osmótica, etc.) do sistema ao qual estão
integrados (BEZERRA; FERREIRA 2006). Segundo Souza (2001), o excesso de
surfactante na formação do meio micelar pode apresentar várias formas de
organização, onde o grau de ordem depende de diversos fatores como temperatura,
concentração, pH, força iônica, etc (SOUZA, 2001).
Neste sentido, foi avaliada a concentração do meio micelar de modo a se
avaliar a melhor condição de reação. Os resultados deste experimento são
apresentados na Figura 5.10. Observa-se nesta figura que a melhor resposta foi obtida
com a concentração de 0,8 mmol L
-1
.
130
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Figura 5.10 - Efeito da concentração de Triton X-100 na magnitude do sinal
analítico. Onde: -■- 0,8 mmol L
-1
; -●- 16,0 mmol L
-1
; -▲- 32,0 mmol L
-1
e
-▼- 64,0 mmol L
-1
. A
625 nm
= absorbância (
λ
= 625 nm).
5.12.5 Efeito do volume de NaBH
4
O volume de NaBH
4
na zona da amostra pode afetar a magnitude do sinal
analítico, então para verificar este efeito, experimentos foram realizados variando seu
volume durante a amostragem e os resultados são mostrados na Figura 5.11. A
diminuição do sinal do branco pode ser atribuído ao efeito de diluição da amostra
devido ao aumento do volume da solução do reagente. Considerando-se a linearidade
como parâmetro, observa-se que a melhor resposta foi obtida com o volume de 668 µL.
131
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Figura 5.11 - Efeito do volume de NaBH
4
na magnitude do sinal analítico.
Onde, volumes de NaBH
4
adicionados: -■- 167 µL; -●- 334 µL; -▲- 501 µL e
-▼- 668 µL;. A
625 nm
= absorbância (
λ
= 625 nm).
5.12.6 Efeito da concentração de NaBH
4
Os resultados discutidos no item anterior, motivaram a realizar um novo
estudo, aumentando a concentração dos reagentes (NaBH
4
e azul de metileno) e, em
contra partida, reduzindo os volumes das alíquotas dos reagentes na zona da amostra,
sendo os resultados apresentados a seguir.
Na Figura 5.12, são mostrados os resultados obtidos variando a
concentração de NaBH
4
e mantendo o volume da alíquota de solução inserida na
câmara de mistura em 166 µL. Observa-se que a sensibilidade e a linearidade da curva
132
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
analítica melhoram com o aumento da concentração de NaBH
4
, conforme valores dos
coeficientes angulares e equações das retas apresentados na Tabela 5.3
Figura 5.12 - Efeito da concentração de NaBH
4
na magnitude do sinal
analítico. Onde: -■- 0,10 mmol L
-1
; -●- 0,15 mmol L
-1
; -▲- 0,20 mmol L
-1
e -▼-
0,25 mmol L
-1
.
A
625 nm
= absorbância (
λ
= 625 nm).
Tabela 5.3 - Resultados do efeito da concentração de NaBH
4
nos coeficientes
angulares e equações das retas provenientes da Figura 5.12.
Concentração (mmol L
-1
)
b a r
(y = ax + b)
0,10 -0,285x10
-4
0,29500 -0,75593
0,15 -6,755x10
-4
0,29807 -0,94385
0,20 0,2900 0,14850 -0,96288
0,25 0,29874 -0,00107 -0,98191
133
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
5.12.7 Efeito da temperatura da solução de boro-hidreto
Segundo a Lei de Henry (BARROW, 1982), a solubilidade de um gás em
uma solução aquosa é inversamente proporcional à sua temperatura. Era visível a
existência de bolhas de gás no tubo de bombeamento da solução de boro-hidreto,
provavelmente hidrogênio. Tendo em vista que a câmara de reação era aberta, essas
bolhas de gás (hidrogênio) eram liberas para a atmosfera, não participando da reação
com arsênio para formar arsina.
Visando verificar se as bolhas de gás formada em linha havia algum efeito
significativo, foram realizados experimentos mantendo a solução de boro-hidreto em
banho de gelo (0ºC) e em 30ºC (tempera do laboratório). Os resultados deste
experimento são apresentados na Figura 5.13. Observa-se que as duas curvas são
praticamente paralelas, então não houve ganho significativo em sensibilidade.
Entretanto, os resultados obtidos com a solução no banho de gelo, apresentaram
menor desvio padrão. O resfriamento da solução de boro-hidreto, praticamente,
extinguia e liberação de bolhas de gás em linha, então o volume da alíquota da solução
inserida na câmara de mistura poderia ser mais preciso, tendo em vista que no caso
anterior era constituído também por uma fração gasosa.
134
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Figura 5.13 - Efeito do banho de gelo sobre a solução de boro-hidreto de
sódio. Onde: -▼- sinais de NaBH
4
à 25ºC; -▲- sinais de NaBH
4
à 0ºC. As
barras de erro indicam a estimativa de desvio padrão (n = 3). A
625 nm
=
absorbância (
λ
= 625 nm).
5.12.8 Efeito da proporção entre os volumes da solução de
referência e dos reagentes
O efeito da proporção entre os volumes das alíquotas das soluções de
referência e dos reagentes são apresentados nas curvas da Figura 5.14. Considerando-
se a linearidade e a sensibilidade como parâmetros a ser avaliados, observa-se que as
curvas referentes aos volumes de 667 e de 1000 µL apresentam melhor resposta. As
curvas são praticamente paralelas, o que indica que os coeficientes angulares são
muito semelhantes, o que confere a mesma sensibilidade, então o volume de 667 µL foi
135
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
selecionado. Neste caso, ocorria redução do consumo de reagente, e do tempo de
análise.
Figura 5.14 - Efeito do volume da amostra sobre o volume fixado dos
reagentes. Onde: -■- 333 µL; -●- 667 µL; -▲- 1000 µL e -▼- 1333 µL.
A
625 nm
= absorbância (
λ
= 625 nm).
5.12.9 Faixa linear da reação
Empregando os parâmetros definidos a partir dos resultados discutidos nos
itens precedentes, foi processado um conjunto de soluções de referência, os resultados
são mostrados na Figura 5.15. Observa-se uma resposta linear (r = -0,996) na faixa de
2,5 a 40 µg L
-1
.
136
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Figura 5.15 - Curva analítica referente ao processamento de soluções de
referência de arsênio(III). As linhas tracejadas, superior e inferior, representam
o limite de confiança a 95%. A linha vermelha representa a regressão linear (r =
-0,996). A = absorbância (
λ
= 625 nm).
5.12.10 Efeito da adição e recuperação de As(III) em amostras de
água
Visando verificar se havia efeito de matriz, foi empregado o método de
adição e recuperação. Os resultados da Tabela 5.4 mostram que a recuperação se
situou na faixa de 88,0 a 112,9%, portanto indicando que não há efeito de matriz
significativo nas amostras estudadas.
137
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Tabela 5.4 - Valores do estudo de efeito de matriz do íon arsenito.
Valores de As(III)
Amostra
adicionado
encontrado
Recuperação %
0,00 5,60
5,00 10,20 92,9
A
10,0 15,95 106,3
0,00 4,83
5,00 9,43 88,6
B
10,0 15,33 110,4
0,00 5,19
5,00 9,85 93,4
C
10,0 14,75 91,5
0,00 6,6
5,00 11,80 103,0
D
10,0 17,20 109,1
0,00 9,83
5,00 14,25 94,1
E
10,0 20,05 102,23
5.12.11 Efeito de interferentes
Segundo Anthemidis; Martavaltzoglou (2006) a reação de arsênio inorgânico,
nos estados de oxidação III e V, com boro-hidreto de sódio para a formação de arsina,
não sofre interferência significativa de outras espécies químicas, como fósforo e silício.
138
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
O mesmo é descrito por Kundu et al., ( 2002a) e Kundu et al., ( 2002b) onde o arsênio
inorgânico reage com boro-hidreto de sódio, na presença de azul de metileno em meio
micelar. Infelizmente, por uma questão de tempo hábil, não houve como se confirmar a
inexistência de potenciais interferentes tal qual descrito pelos autores citados.
5.13 Figuras de mérito
Para avaliar o desempenho global do sistema desenvolvido foram avaliados
alguns parâmetros considerados importantes, tais como: exatidão, precisão, faixa linear,
limite de detecção, limite de quantificação, desvio padrão do branco (SD), sensibilidade,
recuperação e repetibilidade; os quais foram apresentados nos itens precedentes. A
precisão e exatidão do procedimento proposto foram avaliadas através da aplicação do
test-t student. Na Tabela 5.5 são resumidas as figuras de mérito do procedimento
proposto. Em comparação com os procedimentos tomados como referência, observa-se
que o procedimento proposto apresenta vantagens significativas, principalmente em
relação ao volume de efluente gerado, freqüência de amostragem, consumo de amostra
e limite de detecção. Também, observa-se que a faixa de resposta linear, embora mais
estreita, a solução de referência de menor concentração é 8 vezes menor que a menor
concentração empregada nos dois artigos. Este valor (2,5 µg L
-1
) é 4 vezes menor do
que o estabelecido pela ANVISA para água potável.
139
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
Tabela 5.5 - Figuras de mérito para o método proposto para a determinação
de arsênio em águas.
Parâmetro
26
Procedimento Proposto
Referência
27
Referência
28
Massa de NaBH
4
0,04 µg ** 0,01 µg
Massa de azul de metileno 0,005 µg ** 0,0025 µg
Volume de amostra 500 µL 75 µL 75 µL
Volume de efluente gerado 2 mL 3,5 mL 3,5 mL
Faixa resposta linear 2,5 a 40 µg L
-1
20 a 120 µg L
-1
20 a 120 µg L
-1
Freqüência analítica 25 h
-1
** 10 h
-1
Coeficiente de correlação (r) -0,99223 -0,9937 **
Coeficiente angular (a)
-3,88 10
-4
** **
Ponto de interseção (b) 0,28106 ** **
LD 0,3 µg L
-1
30 µg L
-1
30 µg L
-1
** valores não encontrados ou não disponibilizados na referência pesquisada.
5.14 Conclusões
O uso do processo de multicomutação em fluxo permitiu a determinação de
arsênio em água potável empregando a reação do azul de metileno em meio micelar
26
Resultados calculados por determinação
27
Resultados estimados por determinação conforme Kundu et al., ( 2002a).
28
Resultados estimados por determinação conforme Kundu et al., ( 2002b).
140
5
o
CAPÍTULO – DETERMINAÇÃO DE ARSÊNIO EM ÁGUAS EMPREGANDO MULTICOMUTAÇÃO EM FLUXO
com a arsina decorrente da formação de hidreto. O método atende às determinações
estabelecidas pela porta 518/2004 do Ministério da Saúde. As amostras de água
analisadas estão em conformidade com os teores de arsênio total estabelecido por Lei.
O método desenvolvido é simples, robusto, compacto, fácil de ser executado,
apresenta ótima sensibilidade analítica (LD = 0,3 µg L
-1
), não requer etapas de pré-
tratamento da amostra. O consumo de reagentes e, conseqüentemente, o volume de
efluentes gerado pelo método proposto é menor que o descrito por Kundu et al., (
2002b) e Kundu et al., ( 2002a). A implantação do método não requer grandes
investimentos para sua implantação quando comparado a cromatografia de troca iônica.
O método foi aplicado com sucesso na determinação arsênio em águas, com
excelentes resultados em termos de precisão e exatidão, sendo uma boa alternativa
para a determinação e monitoramento em empresas de saneamento.
A automação do método através do processo de multicomutação possibilitou
maior versatilidade na inserção dos reagentes e amostras, minimizando o consumo dos
mesmos e, por conseqüência, minimizou a geração de resíduos. Além disto, o
procedimento desenvolvido minimiza o risco de contaminação por se tratar de um
sistema fechado.
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