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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
Sérgio Pinton Pavanelli
Degradação de Corantes da Indústria Alimentícia por Processos Oxidativos
e Redutivos: Monitoramento por Espectrometria de Massas com Ionização
Electrospray (ESI-MS)
Belo Horizonte
2010
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UFMG-ICEx/DQ. 801ª
D. 466ª
Sérgio Pinton Pavanelli
Degradação de Corantes da Indústria Alimentícia por Processos Oxidativos
e Redutivos: Monitoramento por Espectrometria de Massas com Ionização
Electrospray (ESI-MS)
Dissertação apresentada ao Departamento de
Química do Instituto de Ciências Exatas da
Universidade Federal de Minas Gerais como
requisito parcial para obtenção do grau de Mestre
em Química – Química Analítica
Belo Horizonte
2010
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i
Pavanelli, Sérgio Pinton
Degradação de corantes da indústria alimentícia por
processos oxidativos e redutivos: monitoramento por
espectrometria de massas com ionização electrospray
(ESI-MS) / Sérgio Pinton Pavanelli. 2010.
xv, 101 f. : il.
Orientador: Rodinei Augusti.
Co-orientadora: Clésia Cristina Nascentes.
Dissertação (mestrado) –
Universidade Federal de
Minas Gerais. Departamento de Química.
Bibliografia: f. 96-101.
1. Química analítica – Teses 2. Espectrometria de
massas – Teses 3.Degradação – Teses 4. Reação de
oxidação-redução 5. Corantes alimentícios – Teses I.
Augusti, Rodinei, Orientador II. Nascentes, Clésia
Cristina, Co-orientadora. III. Título
CDU 043
P337d
2010
D
ii
Dedico este trabalho aos meus
queridos pais Sérgio e Marli, pelo amor e
incentivo ao longo de toda a minha vida.
iii
Agradecimento Especial:
Ao professor Rodinei Augusti, pela
atenção, paciência e humildade
constantes.
iv
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus, princípio e fim de todas as coisas, fonte de vida,
inspiração e paz, pela graça de me sustentar e guiar. A Ele toda a honra, glória e louvor.
Aos meus queridos pais Sérgio e Marli, pelo exemplo de amor, esforço e dedicação,
pelo apoio incondicional em todos os momentos, por acreditarem e confiarem em mim. Vocês
são meus melhores amigos e não há nada como um lar.
Às minhas irmãs Gisele e Gabriella, pelo incentivo e amor a mim sempre dispensados.
Aos amigos Guilherme e Maurício.
Ao meu sobrinho Caio, por ter trazido luz às nossas vidas com seu sorriso no olhar.
À minha tia Sônia e sua família, por terem me acolhido como filho nos meus primeiros
meses em Belo Horizonte. A toda minha família pelo apoio e presença.
Ao meu querido avô Arlindo (in memorian), pelas longas conversas e risadas, pelos
conselhos que ficaram gravados em meu coração, por ter vivido comigo a alegria de cada
conquista, pelas orações diárias, e por tudo que sempre representará para mim e meus
familiares.
À professora Clésia Nascentes, pelos conselhos sempre pertinentes ao longo do curso.
Ao professor Rochel Lago, por ter cedido gentilmente o aparelho de análise de TOC.
À professora Isabel Fortes, pela compreensão e incentivo em minha nova jornada.
À FAPEMIG, Edital PRONEX 497/07 que permitiu a aquisição do equipamento ESI-
MS.
Aos amigos de laboratório: Amauri, Karla, Júnia, Isabela, Jaqueline, Átila, Karol e
Helvécio.
Ao estudante de iniciação científica Glayson, pelo apoio e dedicação indispensáveis na
execução dos experimentos.
Aos amigos do mestrado: Júlio, Fabiana, Patrícia, Ravi, Reginaldo, Filipão,
especialmente ao Magno pela presença constante e conselhos sempre sábios.
Aos amigos da “república do 203”: Bruno, João e Magno, pelos bons momentos
vividos que ficarão guardados para sempre em minha memória.
Aos amigos da Igreja de Santa Catarina Labouré: Pe. Chico, Mário Sérgio, Karina,
Douglas e Anselmo.
À amiga Hilda Simone, pelas longas e sempre providenciais conversas no campus da
UFMG. Ao Pe. Paulo Nobre, pelas orações e conselhos. Aos amigos Ricardo Itaborahy,
Agnaldo, Daniel Ribeiro, Roberto, Renato, Bruno, Renan, Marquim e Leozisse, por estarem
sempre por perto mesmo estando longe.
v
Ao amigo Magno (Berin), por partilhar comigo as ansiedades e os desafios ao longo
dos estudos para concursos públicos.
Aos amigos da Petrobrás Distribuidora S. A., por terem me apoiado nos momentos
finais do mestrado e em minha nova caminhada no Rio de Janeiro, especialmente Paulo
Meirelles e Walter Brandão, pelo incentivo. Aos meus novos companheiros de república no
Rio: Erick, Flavinha e Rafael, pela alegria e longos debates na sala de TV.
À minha namorada Karina, pelo amor e incentivo ao longo de todos os momentos,
bons ou ruins. Obrigado por sonhar junto comigo os meus sonhos.
A todos que, de alguma forma, contribuíram para que eu conquistasse essa vitória.
vi
“Porque se chamava homem
Também se chamavam sonhos
E sonhos não envelhecem...”
Milton Nascimento, Lô Borges, Márcio Borges
vii
RESUMO
Neste trabalho, estudou-se a degradação de alguns corantes utilizados na indústria
alimentícia (azul brilhante, amaranto, amarelo crepúsculo e vermelho 40) por processos
oxidativos (ozonólise e Fenton combinado) e redutivos com metais de valência zero (Fe
0
e
Sn
0
) e radiação ultrassônica. Nos processos redutivos foi investigada a influência das
variáveis envolvidas nas condições reacionais (tempo de exposição à radiação ultrassônica e
massa de metal), utilizando planejamento fatorial de experimentos. Esse método possibilitou
a investigação da influência dessas variáveis com um número reduzido de experimentos.
As análises por UV-Vis revelaram que todos os processos utilizados foram muito
eficientes na degradação dos corantes estudados, sendo observadas taxas de degradação bem
próximas de 100% na maioria dos casos e superiores a 90% em todos eles. As análises de
Carbono Orgânico Total (COT), por sua vez, mostraram que ocorreu mineralização parcial
das soluções aquosas dos corantes submetidos aos diferentes processos, indicando, portanto, a
formação de produtos de degradação.
A técnica ESI-MS foi eficiente para o monitoramento da degradação e, em alguns
casos, foi possível a identificação de produtos formados e a proposição de mecanismos de
degradação. A ozonólise do corante amaranto foi monitorada por GC-MS, o que permitiu um
melhor entendimento deste processo quando aplicado a corantes da classe azo.
Testes de ecotoxicidade à Artemia salina revelaram que todos os corantes e seus
produtos de degradação (via ozonólise) apresentam baixa toxicidade quando em menores
concentrações. Em maiores concentrações, os produtos de degradação do corante azul
brilhante foram os que apresentaram maior toxicidade, e os demais corantes e seus produtos
apresentaram toxicidade moderada.
Palavras-chave: corantes alimentícios, degradação, ESI-MS.
viii
ABSTRACT
In this work, it was studied the degradation of some dyes used in food industry
(brilliant blue, amaranth, sunset yellow and red 40) by means of oxidative (ozonolysis and
combined Fenton) and reductive with zero valence metals (Fe
0
and Sn
0
) and ultrasonic
radiation processes. In the reductive processes, it was investigated the influence of the
variables involved in the reaction conditions (exposure time to ultrasonic radiation and metal
mass), using factorial design. This method allowed the investigation of the influence of these
variables with a small number of experiments.
The analysis by UV-Vis revealed that all the processes were very efficient in the
degradation of the studied dyes. Degradation rates close to 100% were observed in most cases
and all the assays have registered more than 90% values. Analysis of Total Organic Carbon
(TOC) showed partial mineralization of the dyes aqueous solutions when subjected to
different processes, thus indicating the formation of degradation products.
The ESI-MS technique was effective for monitoring the dyes degradation and in some
cases it was possible to identify by-products and to suggest degradation mechanisms. GC-MS
was used to monitor the ozonolysis of amaranth, a prototype azo dye. The results allowed a
better understanding of this process.
Ecotoxicity tests to Artemia salina revealed that all the dyes and their degradation
products (via ozonolysis) present low toxicity while at lower levels. In higher concentrations,
the brilliant blue degradation products presented the highest toxicity, and other dyes and their
products showed moderate toxicity.
Keywords: food dyes, degradation, ESI-MS.
ix
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1. Estruturas químicas dos corantes pertencentes à classe Azo, permitidos no Brasil.6
Figura 2.2. Estruturas químicas dos corantes pertencentes à classe Trifenilmetano, permitidos
no Brasil......................................................................................................................................7
Figura 2.3. Estrutura química do corante eritrosina, pertencente à classe dos corantes
Xantenos.....................................................................................................................................8
Figura 2.4. Estrutura química do corante índigo carmim, pertencente à classe dos corantes
Indigóides. ..................................................................................................................................8
Figura 2.5. Esquema de reações de decomposição do ozônio, formando espécies radicalares
(adaptado de Kunz et al., 2002)
19
.............................................................................................10
Figura 2.6. Exemplos de reações iniciadas por radical hidroxila (adaptado de Kunz et al.,
2002)
19
......................................................................................................................................10
Figura 2.7. Esquema ilustrativo do processo de excitação de um elétron através de radiação
eletromagnética (adaptado de Skoog et al.
50
)...........................................................................15
Figura 2.8. Componentes básicos de um espectrofotômetro (adaptado de Skoog et al.
50
). .....16
Figura 2.9. Esquema de um analisador de TOC. (adaptado de Clementino, 2006)
58
...............18
Figura 2.10. Componentes básicos de um espectrômetro de massas
50
.....................................19
Figura 2.11. Representação esquemática do mecanismo de formação de íons pela técnica ESI
(adaptado de Cole
62
).................................................................................................................23
Figura 5.1. Curva de calibração, em meio aquoso, para soluções do corante azul brilhante.
λ
max
= 629 nm. ...........................................................................................................................30
Figura 5.2. Espectros UV-Vis de soluções aquosas do corante azul brilhante (2,0 x 10
-5
mol L
-
1
), tratadas com ozônio por tempos variados............................................................................31
Figura 5.3. Soluções do corante azul brilhante, respectivamente após: 1, 2, 3, 5, 8, 10, 15 e 20
minutos de reação com O
3
........................................................................................................32
Figura 5.4. Concentração normalizada do corante azul brilhante (C/C
0
) em função do tempo
de reação, monitorada por UV-Vis (λ
max
= 629 nm), e quantidade de Carbono Orgânico Total
(COT/COT
0
). Degradação via ozonólise em meio aquoso. C
0
=2,0 x 10
-5
mol L
-1
e COT
0
=9,6
mg L
-1
. ......................................................................................................................................32
Figura 5.5. Gráfico de Pareto (a) e superfície de resposta (b), obtidos pelo planejamento
fatorial 2
2
com ponto central. Corante: azul brilhante. Metal: Fe
0
...........................................34
Figura 5.6. Gráfico de Pareto (a) e superfície de resposta (b), obtidos pelo planejamento
fatorial 2
2
com ponto central. Corante: azul brilhante. Metal: Sn
0
...........................................35
x
Figura 5.7. Porcentagem de degradação/mineralização do corante azul brilhante depois de
submetido a diferentes processos. Tempo de reação: 120 min. Massa de Fe
0
: 60 mg.............36
Figura 5.8. Curva de calibração, em meio aquoso, para soluções do corante amaranto.
λ
max
=523 nm. ............................................................................................................................38
Figura 5.9. Espectros UV-Vis de soluções do corante amaranto (2,0 x 10
-5
mol L
-1
), tratadas
com ozônio por tempos variados..............................................................................................39
Figura 5.10. Soluções do corante amaranto, respectivamente após: 0, 2, 5, 8, 10, 15 e 20
minutos de reação com O
3
........................................................................................................39
Figura 5.11. Concentração normalizada do corante amaranto (C/C
0
) em função do tempo de
reação, monitorada por UV-Vis (λ
max
= 523 nm), e quantidade de carbono orgânico total
(COT/COT
0
). Degradação via ozonólise em meio aquoso. C
0
=2,0 x 10
-5
mol L
-1
e COT
0
=3,0
mg L
-1
. ......................................................................................................................................40
Figura 5.12. Porcentagem de degradação/mineralização do corante amaranto depois de
submetido a diferentes processos. Tempo de reação: 120 min. Massa de Fe
0
: 60 mg.............41
Figura 5.13. Curva de calibração, em meio aquoso, para soluções do corante amarelo
crepúsculo. λ
max
= 480 nm.........................................................................................................42
Figura 5.14. Espectros UV-Vis de soluções do corante amarelo crepúsculo (2,0 x 10
-5
mol L
-
1
), tratadas com ozônio por tempos variados............................................................................43
Figura 5.15. Soluções do corante amarelo crepúsculo, respectivamente após: 0, 2, 5, 8, 10, 15
e 20 minutos de reação com O
3
................................................................................................43
Figura 5.16. Concentração normalizada do corante amarelo crepúsculo (C/C
0
) em função do
tempo de reação, monitorada por UV-Vis, e quantidade de Carbono Orgânico Total
(COT/COT
0
). Degradação via ozonólise em meio aquoso. C
0
=2,0 x 10
-5
mol L
-1
e COT
0
=3,4
mg L
-1
. ......................................................................................................................................44
Figura 5.17(a). Porcentagem de degradação/mineralização do corante amarelo crepúsculo
depois de submetido a diferentes processos. Tempo de reação: 120 min. Massa de Fe
0
: 60 mg.45
Figura 5.17(b). Produtos formados na degradação redutiva do corante amarelo crepúsculo, na
presença de ácido ascórbico (Gosseti et al.
72
). .........................................................................46
Figura 5.18. Curva de calibração, em meio aquoso, para soluções do corante vermelho 40.
λ
max
= 502 nm. ...........................................................................................................................47
Figura 5.19. Espectros UV-Vis de soluções do corante vermelho 40 (2,0 x 10
-5
mol L
-1
),
tratadas com ozônio por tempos variados.................................................................................48
Figura 5.20. Soluções do corante vermelho 40, respectivamente após: 0, 2, 5, 8, 10 e 15
minutos de reação com O
3
........................................................................................................48
xi
Figura 5.21. Concentração normalizada do corante vermelho 40 (C/C
0
) em função do tempo
de reação, monitorada por UV-Vis, e quantidade de Carbono Orgânico Total (COT/COT
0
).
Degradação via ozonólise em meio aquoso. C
0
=2,0 x 10
-5
mol L
-1
e COT
0
=4,1 mg L
-1
.........49
Figura 5.22. Porcentagem de degradação/mineralização do corante vermelho 40 depois de
submetido a diferentes processos. Tempo de reação: 120 min. Massa de Fe
0
: 60 mg.............50
Figura 5.23. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante azul brilhante (2,0 x 10
-5
mol L
-1
),
onde observa-se a presença predominante do ânion 1 (m/z 373). ............................................52
Figura 5.24. ESI(-)-MS/MS para o ânion 1 de m/z 373............................................................53
Figura 5.25. Espectros ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante azul brilhante (2,0 x 10
-
5
mol L
-1
) após submetida à ozonólise por: (a) 10; (b) 20; (c) 30 e (d) 120 minutos...............54
Figura 5.26. Intensidades absolutas dos íons de m/z 97, 373, 747 e 769 ao longo da ozonólise
do corante azul brilhante. Cada ponto representa uma média de dois ensaios.........................57
Figura 5.27. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante azul brilhante (2,0 x 10
-5
mol L
-1
),
onde observa-se a presença predominante do ânion de m/z 747. .............................................58
Figura 5.28. ESI(-)-MS/MS para o ânion 3 de m/z 747............................................................58
Figura 5.29. ESI(-)-MS/MS/MS para o íon 3a (m/z 667).........................................................59
Figura 5.30. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante azul brilhante, após tratamento
com Fe
0
e radiação ultrassônica por 30 minutos. .....................................................................60
Figura 5.31. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante azul brilhante, onde observa-se a
presença predominante do ânion de m/z 747............................................................................62
Figura 5.32. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante amaranto (2,0 x 10
-5
mol L
-1
), onde
observa-se a presença predominante do ânion 8 (m/z 178)......................................................63
Figura 5.33. ESI(-)-MS/MS para o ânion [8 + H]
2-
de m/z 268................................................64
Figura 5.34. Espectros ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante amaranto (2,0 x 10
-5
mol
L
-1
) após submetida à ozonólise por: (a) 10; (b) 20; (c) 70 e (d) 120 minutos.........................65
Figura 5.35. Intensidades absolutas dos íons de m/z 97, 227, 178, 268, 279, 559 e 581 ao
longo da ozonólise do corante amaranto. Cada ponto representa uma média de dois ensaios. 68
Figura 5.36. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante amaranto (2,0 x 10
-5
mol L
-1
), onde
observa-se a presença predominante do ânion 9 (m/z 537)......................................................69
Figura 5.37. ESI(-)-MS/MS para o ânion 9 de m/z 537............................................................69
Figura 5.38. ESI(-)-MS/MS/MS para o íon 9a de m/z 519. .....................................................70
Figura 5.39. ESI(-)-MS/MS/MS para o íon 9c de m/z 457.......................................................70
Figura 5.40. ESI(-)-MS da reação do corante amaranto com Fe
0
/radiação ultrassônica, em três
momentos distintos: (a) solução padrão 2,0 x 10
-5
mol L
-1
; (b) alíquota injetada após 120
minutos de reação; (c) branco com 120 minutos de reação......................................................73
xii
Figura 5.41. ESI(-)-MS da reação do corante amaranto com Sistema Fenton combinado, em
três momentos distintos: (a) solução padrão 2,0 x 10
-5
mol L
-1
; (b) alíquota injetada após 120
minutos de reação; (c) branco com 120 minutos de reação......................................................74
Figura 5.42. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante amarelo crepúsculo (2,0 x 10
-5
mol
L
-1
), onde observa-se a presença predominante do ânion 10 (m/z 203). ..................................75
Figura 5.43. ESI(-)-MS/MS para o ânion 10 de m/z 203..........................................................76
Figura 5.44. Espectros ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante amarelo crepúsculo (2,0
x 10
-5
mol L
-1
) após submetida à ozonólise por: (a) 20; (b) 50 e (c) 120 minutos. ..................77
Figura 5.45. Intensidades absolutas dos íons de m/z 97, 203, 407 e 429 ao longo da ozonólise
do corante amarelo crepúsculo. Cada ponto representa uma média de dois ensaios................78
Figura 5.46. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante amarelo crepúsculo (2,0 x 10
-5
mol
L
-1
), onde observa-se a presença predominante do ânion 11 (m/z 407). ..................................79
Figura 5.47. ESI(-)-MS da reação do corante amarelo crepúsculo com Fe
0
/radiação
ultrassônica, em três momentos distintos: (a) solução padrão 2,0 x 10
-5
mol L
-1
; (b) alíquota
injetada após 120 minutos de reação; (c) branco com 120 minutos de reação.........................80
Figura 5.48. ESI(-)-MS da reação do corante amarelo crepúsculo com Sistema Fenton
combinado, em três momentos distintos: (a) solução padrão 2,0 x 10
-5
mol L
-1
; (b) alíquota
injetada após 120 minutos de reação; (c) branco com 120 minutos de reação.........................81
Figura 5.49. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante vermelho 40 (2,0 x 10
-5
mol L
-1
),
onde observa-se a presença predominante do ânion 12 (m/z 225). ..........................................82
Figura 5.50. Espectros ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante vermelho 40 (2,0 x 10
-5
mol L
-1
) após submetida à ozonólise por: (a) 20; (b) 70 e (c) 120 minutos. ............................83
Figura 5.51. Intensidades absolutas dos íons de m/z 97, 225, 451 e 473 ao longo da ozonólise
do corante vermelho 40. ...........................................................................................................86
Figura 5.52. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante vermelho 40 (2,0 x 10
-5
mol L
-1
),
onde observa-se a presença predominante do ânion 13 (m/z 451). ..........................................86
Figura 5.53. ESI(-)-MS/MS para o ânion 13 de m/z 451..........................................................87
Figura 5.54. ESI(-)-MS/MS/MS para o ânion 13a de m/z 371.................................................87
Figura 5.55. ESI(-)-MS da reação do corante vermelho 40 com Fe
0
/radiação ultrassônica, em
três momentos distintos: (a) solução padrão 2,0 x 10
-5
mol L
-1
; (b) alíquota injetada após 120
minutos de reação; (c) branco com 120 minutos de reação......................................................89
Figura 5.56. ESI(-)-MS da reação do corante vermelho 40 com Sistema Fenton combinado,
em três momentos distintos: (a) solução padrão 2,0 x 10
-5
mol L
-1
; (b) alíquota injetada após
120 minutos de reação; (c) branco com 120 minutos de reação...............................................90
xiii
Figura 5.57. Cromatogramas do corante amaranto: (a) solução padrão 2,0 x 10
-5
mol L
-1
; (b)
70 minutos de ozonólise; (c) 150 minutos de ozonólise...........................................................91
Figura 5.58. Espectro de massas por impacto de elétrons do pico correspondente ao TR=9,74
min do cromatograma 5.57(b)..................................................................................................92
xiv
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1. Informações e propriedades físico-químicas dos onze corantes artificiais
permitidos no Brasil (adaptado de Prado & Godoy, 2003)
27
......................................................5
Tabela 2.2. Potenciais padrões de redução de alguns metais comuns (Atkins, 2006)
39
..........12
Tabela 4.1. Equações utilizadas para o cálculo do percentual de mortalidade nos testes de
ecotoxicidade com Artemia Salina...........................................................................................29
Tabela 5.1. Planejamento fatorial 2
2
com ponto central. Corante: azul brilhante. Metal: Fe
0
.33
Tabela 5.2. Planejamento fatorial 2
2
com ponto central. Corante: azul brilhante. Metal: Sn
0
.35
Tabela 5.3. Percentuais de degradação e mineralização obtidos com os diferentes processos,
para todos os corantes. Tempo de reação: 120 min..................................................................51
Tabela 5.4. Comparação entre as distribuições isotópicas obtidas experimentalmente (Figura
5.58) e os dados teóricos para o composto de fórmula molecular C
10
H
7
NO
2
..........................92
Tabela 5.5. Resultados dos testes de ecotoxicidade dos corantes em Artemia salina..............93
Com os dados da Tabela 5.5, calculou-se o percentual de mortalidade em cada ensaio,
utilizando as equações da Tabela 4.1 (citada no item 4.8).......................................................93
Tabela 5.6. Percentuais de mortalidade nos testes de ecotoxicidade com Artemia Salina.......94
xv
LISTA DE ESQUEMAS
Esquema 1. Estruturas dos íons de m/z 747 e m/z 769, presentes no espectro da solução aquosa
do corante azul brilhante...........................................................................................................52
Esquema 2. Fragmentação via CID sugerida para o ânion 1....................................................53
Esquema 3. Proposta de degradação do corante do azul brilhante via ozonólise.....................56
Esquema 4. Proposta de fragmentação via CID para os íons 3 e 3a. .......................................59
Esquema 5. Proposta de degradação do corante do azul brilhante via tratamento com
Fe
0
/radiação ultrassônica..........................................................................................................61
Esquema 6. Estruturas dos íons de m/z 268, m/z 279, m/z 559 e m/z 581, presentes no espectro
da solução aquosa do corante amaranto. ..................................................................................64
Esquema 7. Fragmentação via CID sugerida para o ânion [8 + H]
2-
........................................65
Esquema 8. Proposta de degradação do corante do amaranto via ozonólise............................67
Esquema 9. Proposta de fragmentação via CID para os íons 9 e 9c.........................................71
Esquema 10. Proposta de fragmentação via CID para o íon 9a...............................................72
Esquema 11. Estruturas dos íons de m/z 407 e m/z 429, presentes no espectro da solução
aquosa do corante amarelo crepúsculo.....................................................................................75
Esquema 12. Fragmentação via CID sugerida para o ânion 10................................................76
Esquema 13. Proposta de degradação do corante do amarelo crepúsculo via ozonólise. ........78
Esquema 14. Estruturas dos íons de m/z 451 e m/z 473, presentes no espectro da solução
aquosa do corante vermelho 40................................................................................................82
Esquema 15. Proposta de degradação do corante do vermelho 40 via ozonólise. ...................85
Esquema 16. Proposta de fragmentação via CID para os íons 13 e 13a. .................................88
xvi
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS
ANVISA – Agência Nacional de Vigilância Sanitária
APCI – Atmospheric Pressure Chemical Ionization
D.B.O. – Demanda Bioquímica de Oxigênio
C.I. – Color Índex
CI – Chemical Ionization
CID – “Collison-Induced Dissociation”/Dissociação induzida por colisão
EAM UV-Vis – Espectrometria de Absorção Molecular na Região do Ultravioleta-Visível
EI – Electron Ionization
ESI – Electrospray Ionization
ESI(-)-MS – Espectrometria de Massas com Ionização Electrospray no Modo Negativo
F.D. & C – Food, Drug & Cosmetics Act.
FAB – Fast Atom Bombardment
FAO – Food and Agriculture Organization
GC – “Gas Chromatography”/Cromatografia Gasosa
GC-MS – “Gas Chromatography-Mass Spectrometry”/Espectrometria de Massas Acoplada a
Cromatografia Gasosa
GMC – Grupo Mercado Comum
HO
.
– Radical Hidroxila
IDA – Ingestão Diária Aceitável
JECFA – Joint Expert Committee on Food Additives
m/z – razão massa/carga
MALDI – Matrix-assisted laser desorption/ionization
MS – “Mass Spectrometry”/Espectrometria de Massas
OMS – Organização Mundial de Saúde
POA´s – Processos Oxidativos Avançados
TOC – Total Organic Carbon/Carbono Orgânico Total
TR – Tempo de Retenção
US – Ultrassom
UV – Ultra-Violeta
UV-Vis – Ultra-Violeta Visível
λ
máx
– Comprimento de onda de máxima absorvância
SUMÁRIO
RESUMO .................................................................................................................................vii
ABSTRACT ............................................................................................................................viii
LISTA DE FIGURAS ...............................................................................................................ix
LISTA DE TABELAS ............................................................................................................xiv
LISTA DE ESQUEMAS..........................................................................................................xv
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS.......................................................................xvi
Capítulo 1 – Introdução..............................................................................................................1
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica ............................................................................................3
2.1.2. Classificação dos corantes utilizados na indústria alimentícia.........................................6
2.2. Processos Oxidativos e Redutivos.......................................................................................8
2.2.1. Ozonólise..........................................................................................................................9
2.2.2. Degradação com metais de valência zero/radiação ultrassônica....................................11
2.2.3. Reagente de Fenton ........................................................................................................13
2.2.3.1. Sistema Fenton clássico...............................................................................................13
2.2.3.2. Sistema Fenton combinado..........................................................................................14
2.3. Principais técnicas analíticas utilizadas.............................................................................14
2.3.1. Espectrometria de Absorção Molecular na Região do Ultravioleta-Visível (EAM UV-
Vis) ...........................................................................................................................................14
2.3.2. Carbono Orgânico Total (COT) .....................................................................................16
2.3.3. Espectrometria de Massas ..............................................................................................18
2.3.3.1. Introdução e Princípios Gerais ....................................................................................18
2.3.3.2. Métodos de Ionização..................................................................................................20
2.3.3.3. Ionização por Electrospray..........................................................................................21
2.3.3.3.2. Mecanismo de ionização electrospray......................................................................22
2.3.3.3.3. Aplicações ................................................................................................................23
Capítulo 3 – Objetivos..............................................................................................................24
Capítulo 4 – Parte Experimental...............................................................................................25
4.1. Ozonólise...........................................................................................................................25
4.2. Degradação com metais de valência zero/radiação ultrassônica.......................................25
4.3. Degradação via sistema Fenton combinado ......................................................................26
4.4. Análises por Espectrometria de Absorção Molecular UV-Vis..........................................26
4.5. Análises por COT..............................................................................................................26
4.6. Análises por Espectrometria de Massas com Fonte de Ionização Electrospray (ESI-MS)27
4.7. Análises por Cromatografia Gasosa acoplada à Espectrometria de Massas (GC-MS).....27
4.8. Testes de ecotoxicidade.....................................................................................................28
Capítulo 5 – Resultados e Discussão........................................................................................30
5.1. Geral ..................................................................................................................................30
5.1.1. Degradação do corante azul brilhante ............................................................................30
5.1.1.1. Identificação do valor de
λ
max
......................................................................................30
5.1.1.2. Curva de calibração.....................................................................................................30
5.1.1.3. Processos oxidativos e redutivos utilizados.................................................................31
5.1.1.3.1. Ozonólise..................................................................................................................31
5.1.1.3.2. Degradação com metais de valência zero/radiação ultrassônica..............................33
5.1.1.3.2.1. Fe
0
..........................................................................................................................33
5.1.1.3.2.1 Sn
0
...........................................................................................................................34
5.1.1.4. Comparação da eficiência dos processos: degradação e mineralização......................36
5.1.2. Degradação do corante amaranto ...................................................................................37
5.1.2.1. Identificação do valor de λ
max
......................................................................................37
5.1.2.2. Curva de calibração.....................................................................................................38
5.1.2.3. Processos oxidativos e redutivos utilizados.................................................................38
5.1.2.3.1. Ozonólise..................................................................................................................38
5.1.2.3.2. Fe
0
/radiação ultrassônica e Fenton combinado ........................................................40
5.1.2.4. Comparação da eficiência dos processos: degradação e mineralização......................40
5.1.3. Degradação do corante amarelo crepúsculo...................................................................42
5.1.3.1. Identificação do valor de λ
max
......................................................................................42
5.1.3.2. Curva de calibração.....................................................................................................42
5.1.3.3. Processos oxidativos e redutivos utilizados.................................................................42
5.1.3.3.1. Ozonólise..................................................................................................................42
5.1.3.3.2. Fe
0
/radiação ultrassônica e Fenton combinado ........................................................44
5.1.3.4. Comparação da eficiência dos processos: degradação e mineralização......................44
5.1.4. Degradação do corante vermelho 40..............................................................................47
5.1.4.1. Identificação do valor de λ
max
......................................................................................47
5.1.4.2. Curva de calibração.....................................................................................................47
5.1.4.3. Processos oxidativos e redutivos utilizados.................................................................47
5.1.4.3.1. Ozonólise..................................................................................................................47
5.1.4.3.2. Fe
0
/radiação ultrassônica e Fenton combinado ........................................................49
5.1.4.4. Comparação da eficiência dos processos: degradação e mineralização......................49
5.1.5. Resumo dos resultados obtidos por UV-Vis e COT.......................................................51
5.2. Espectros ESI-MS .............................................................................................................51
5.2.1. Corante azul brilhante.....................................................................................................51
5.2.1.1. Ozonólise.....................................................................................................................51
5.2.1.2. Degradação com ferro zero/radiação ultrassônica.......................................................57
5.2.1.3. Degradação via sistema Fenton combinado ................................................................62
5.2.2. Corante amaranto............................................................................................................62
5.2.2.1. Ozonólise.....................................................................................................................63
5.2.2.2. Degradação com ferro zero/radiação ultrassônica.......................................................68
5.2.2.3. Degradação via sistema Fenton combinado ................................................................74
5.2.3. Corante amarelo crepúsculo ...........................................................................................75
5.2.3.1. Ozonólise.....................................................................................................................75
5.2.3.2. Degradação com ferro zero/radiação ultrassônica.......................................................79
5.2.3.3. Degradação via sistema Fenton combinado ................................................................80
5.2.4. Corante vermelho 40 ......................................................................................................82
5.2.4.1. Ozonólise.....................................................................................................................82
5.2.4.2. Degradação com ferro zero/radiação ultrassônica.......................................................86
5.2.4.3. Degradação via sistema Fenton combinado ................................................................89
5.3. Espectros GC-MS..............................................................................................................91
5.3.1. Corante amaranto............................................................................................................91
5.4. Testes de ecotoxicidade.....................................................................................................93
Capítulo 6 – Conclusões...........................................................................................................95
Referências Bibliográficas........................................................................................................96
1
C
APÍTULO
1
–
I
NTRODUÇÃO
A preocupação com o meio ambiente tem ganhado considerável importância ao longo
dos anos. Indústrias dos mais diversos setores buscam de forma contínua o aperfeiçoamento,
de modo a minimizar impactos ambientais e garantir o desenvolvimento sustentável. Nesse
contexto, o cuidado com os efluentes industriais torna-se fundamental. Desenvolver métodos
de tratamento eficientes e seguros é, sem dúvida alguma, uma necessidade atual.
Dentre as tecnologias empregadas na indústria alimentícia, a utilização de aditivos,
especialmente corantes, é a mais discutida e polêmica. A cor é a primeira qualidade sensorial
pela qual os alimentos são julgados e, portanto, amplamente utilizada na indústria alimentícia
para atender às expectativas do consumidor
1
. Os corantes estão cada vez mais presentes na
maioria dos alimentos e a geração de efluentes industriais contendo esses compostos é cada
vez maior. Devido às grandes concentrações de matéria orgânica e às suas fortes colorações,
esses efluentes são grandes fontes de poluição dos corpos d’água, podendo provocar sérias
alterações na biota aquática, principalmente nas imediações da descarga
2
.
Esses corantes sintéticos, lançados num curso d’água sem tratamentos prévios
eficientes, são capazes de colorir parcialmente um manancial mesmo estando na água em
quantidades ínfimas. Como resultado, a luz solar deixa de atingir as plantas aquáticas, o que
impede que elas promovam a fotossíntese e se reproduzam adequadamente.
Consequentemente, os peixes têm a oferta de alimentos e oxigênio reduzidas
3
. A oxidação
biológica desse material consome o oxigênio dissolvido existente e, em conseqüência, causa o
aumento da demanda bioquímica de oxigênio (D.B.O.). Ocorre então a predominância da vida
anaeróbia, que realiza os processos fermentativos em ausência de oxigênio, liberando
substâncias de odor desagradável como sulfetos e mercaptanas, característicos de ambientes
sépticos
4
. Os corantes também podem atingir uma estação de captação e tratamento de água,
comprometendo assim o abastecimento populacional, além de contaminar o solo próximo ao
manancial. Neste aspecto, surge outro problema: algumas bactérias presentes no solo ajudam
a degradar o corante, porém podem produzir compostos carcinogênicos. Esses, ao atingirem a
água e o solo, representam um grande problema para as culturas agrícolas, uma das bases
alimentares de homens e animais
3
.
Vários processos de tratamento desses efluentes têm sido estudados, dentre os quais,
os oxidativos e redutivos têm apresentado resultados promissores. Dentre esses processos,
encontram-se: ozonólise
5-11
, degradação com metais de valência zero/radiação ultrassônica
12-
2
14
e sistema Fenton (Fe
2+
/H
2
O
2
)
15-17
. Tais processos têm mostrado grande eficiência na
remoção da cor de vários efluentes.
Muitas vezes, essas reações promovem somente a remoção da cor, deixando na
solução que é descartada altas quantidades de carbono orgânico total (COT). Isso ocorre
porque os corantes podem sofrer apenas uma degradação parcial provocada pelo processo de
tratamento, levando à formação de compostos que podem ou não ser mais tóxicos que os
compostos iniciais
18
. Tal problema tem sido especialmente encontrado em corantes contendo
grupos cromóforos azo, caracterizados pela ligação –N=N– ligados a sistemas aromáticos,
cuja classe pertence à maior parte dos corantes reativos
19
.
Sendo assim, torna-se importante o monitoramento desses processos oxidativos e
redutivos, identificando os possíveis produtos de degradação formados nessas condições.
3
C
APÍTULO
2
–
R
EVISÃO
B
IBLIOGRÁFICA
2.1. Corantes da Indústria Alimentícia
2.1.1. Aspectos Gerais
Os corantes alimentícios são substâncias que transmitem aos alimentos novas cores ou
exaltam as que eles já possuem, com a finalidade de melhorar seu aspecto. Até meados do
século XIX, a cor era obtida de fontes naturais, como extratos de plantas, árvores, liquens ou
de insetos. Apenas em 1856, Henry Perkin sintetizou o primeiro corante. Desde então, um
grande número de corantes é produzido e esses são utilizados nas indústrias alimentícias,
têxteis, de papel, cerâmica e outras. As pesquisas mostram que, atualmente, os corantes são
extremamente comuns. Existem aproximadamente 10.000 tipos de corantes
20
.
No Brasil, pela legislação atual e pelas Resoluções nº 382 a 388 de 9 de agosto de
1999 da Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA), são permitidos para alimentos
e bebidas o uso de apenas onze corantes artificiais, sendo eles: amaranto, vermelho de
eritrosina, vermelho 40, ponceau 4R, amarelo crepúsculo, amarelo tartrazina, azul de
indigotina, azul brilhante, azorrubina, verde Rápido e azul patente V
21
. Existe um consenso
dessa legislação entre os países membros do Mercosul, no que se refere ao uso de corantes em
alimentos. A Resolução GMC nº 50/98 trata dessa harmonização, bem como a Resolução
GMC nº 52/98, que se refere aos critérios para determinar funções dos aditivos e seus
máximos para todas as categorias de alimentos
22
. Como a maioria dos corantes possui
diversas denominações e estruturas relativamente complexas, eles são sistematicamente
descritos pelos números de C.I. (Color Index) e/ou F.D. & C (Food, Drug & Cosmetics
Act.)
23
.
O fato de tais corantes sintéticos serem permitidos não anula seus efeitos adversos, que
embora não sejam divulgados na embalagem, são descritos em artigos científicos. O comitê
de peritos da FAO (Food and Agriculture Organization) e da OMS (Organização Mundial de
Saúde) para aditivos alimentares, JECFA (Joint Expert Committee on Food Additives),
recomenda que os países verifiquem sistematicamente o consumo total de aditivos permitidos,
por meio de estudos da dieta da população, para assegurar que a ingestão total não ultrapasse
os valores determinados na IDA (Ingestão Diária Aceitável)
24
. De fato, alguns trabalhos
mostraram que os corantes podem causar desde simples urticárias, passando por asmas e
4
reações imunológicas, chegando até ao câncer em animais de laboratórios
25
. Por exemplo,
Yamazaki e colaboradores
26
demonstraram que alguns corantes vermelhos podem interferir na
coagulação sanguínea, apresentando um risco potencial à saúde.
A Tabela 2.1 reúne algumas informações e propriedades físico-químicas dos onze
corantes artificiais permitidos no Brasil.
5
Tabela 2.1. Informações e propriedades físico-químicas dos onze corantes artificiais permitidos no Brasil (adaptado de Prado & Godoy, 2003)
27
.
6
2.1.2. Classificação dos corantes utilizados na indústria alimentícia
Os corantes utilizados pela indústria alimentícia (permitidos pela legislação brasileira)
podem ser divididos nas seguintes classes:
Corantes Azo: Compreende a classe de compostos que apresentam a ligação –N=N– (grupo
azo). Os azo-compostos têm grande importância na indústria de corantes artificiais, devido à
coloração intensa, à estabilidade e à possibilidade de síntese a partir de substâncias de baixo
custo. Os derivados de azo-benzeno mais simples apresentam normalmente uma coloração
amarela ou amarelo-alaranjada, em virtude da conjugação na ligação formada pelo grupo azo
e os anéis aromáticos. Possuem, pelo menos, um grupo sulfonato (SO
3
-
) para aumentar a
solubilidade em água
23
. Essa classe representa os corantes sintéticos mais utilizados em
alimentos, contendo aproximadamente 50% dos corantes utilizados mundialmente. São eles:
amaranto, ponceau 4R, vermelho 40, azorrubina, tartrazina e amarelo crepúsculo (Figura 2.1).
N
N
HO SO
3
Na
SO
3
Na
NaO
3
S
Amaranto
N
N
HO
SO
3
Na
NaO
3
S
Ponceau 4R
NaO
3
S
N
N
HO
SO
3
Na
NaO
3
S
Vermelho 40
H
3
C
OCH
3
N
N
Azorrubina
NaO
3
S
OH
SO
3
Na
N
N
NaO
3
S
Tartrazina
OH
N
N
NaO
O
SO
3
Na
N
N
HO
SO
3
Na
NaO
3
S
Amarelo Crepúsculo
Figura 2.1. Estruturas químicas dos corantes pertencentes à classe Azo, permitidos no Brasil.
7
Corantes Trifenilmetanos: Esta classe apresenta estrutura básica de três radicais arila,
ligados a um átomo de carbono central. Apresentam, ainda, grupos sulfônicos que lhes
conferem alta solubilidade em água. Pertencem a esta classe os corantes: azul brilhante, verde
rápido e azul patente V, cujas estruturas químicas são mostradas na Figura 2.2.
Figura 2.2. Estruturas químicas dos corantes pertencentes à classe Trifenilmetano, permitidos
no Brasil.
Corantes Xantenos: A eritrosina é o único corante desta classe permitido no Brasil. Existem
estudos de uma possível associação com tumores da tireóide, pela provável liberação de iodo
no organismo, já que o mesmo contém 557 mg de iodo por grama de produto.
8
I
I
NaO
O
I O
I
COONa
Eritrosina
Figura 2.3. Estrutura química do corante eritrosina, pertencente à classe dos corantes
Xantenos.
Corantes Indigóides: Os corantes indigóides são os de maior uso na indústria têxtil, com
aplicações também na indústria de papel e celulose e indústria alimentícia. Possuem uma
estrutura molecular complexa, o que o torna mais estável quimicamente e mais resistente aos
processos de biodegradação e de remoção mais comumente utilizados para tratamento de
efluentes
28
. O corante índigo carmim é o único corante desta classe permitido no Brasil.
Figura 2.4. Estrutura química do corante índigo carmim, pertencente à classe dos corantes
Indigóides.
2.2. Processos Oxidativos e Redutivos
Os processos oxidativos avançados (POA´s) têm sido definidos tipicamente como
tecnologias de tratamento de efluentes que envolvem a formação de agentes oxidantes
poderosos (geralmente radicais hidroxila
.
OH) capazes de reagir com compostos orgânicos (e
em alguns casos inorgânicos) presentes em efluentes aquosos
29
. São estabelecidos como
tecnologias destrutivas de tratamento de efluentes aquosos. Desse modo, ao contrário de
9
alguns outros processos de tratamento (p. ex. processos de adsorção, processos de membrana,
etc.), eles podem transformar substâncias prejudiciais em CO
2
e H
2
O (mineralização), ou em
outros produtos inofensivos. Constituem uma alternativa a processos biológicos de tratamento
de efluentes. Além disso, são capazes de mineralizar uma ampla faixa de micropoluentes,
evitando o acúmulo de produtos finais de oxidação
30
.
Já os processos redutivos são geralmente baseados em reações com metais de valência
zero (geralmente ferro metálico) em meio ácido. Podem promover a redução de compostos
nitroaromáticos e aromáticos clorados, nitrato e vários metais
30
. Mais recentemente, tem sido
sugerido o uso de processos redutivos para remediação inicial de compostos de origem
antropogênica mais complexos pela redução de grupos funcionais críticos. Pesticidas que
podem ser submetidos a esses tratamentos incluem alachlor e metolachlor
31
, DDT, DDD e
DDE
32
e atrazina
33, 34
. Os corantes são outra categoria de moléculas complexas que podem ser
susceptíveis a redução por Fe
0
, como tem sido mostrado recentemente para vários azo
corantes
35
.
Embora os processos redutivos sejam capazes de reduzir grupos funcionais críticos,
geralmente não permitem a mineralização das moléculas, o que faz com que sub-produtos de
redução se acumulem durante o processo
36
.
2.2.1. Ozonólise
Estudos recentes
5, 6
têm mostrado que a ozonólise é uma das tecnologias mais
eficientes para o tratamento de efluentes têxteis e tinturarias, contendo corantes bio-
recalcitrantes e outras moléculas orgânicas persistentes. Até o momento, vários estudos
mostram que os corantes azo podem ser efetivamente degradados pelo ozônio
7-10
.
O ozônio, a forma triatômica do oxigênio, vem sendo utilizado no tratamento e
desinfecção de águas desde o início do século XX. Dentre as várias motivações para seu
emprego neste tipo de aplicação podem-se destacar duas: é um forte agente oxidante (E
0
≈ 2,1
V) e não é uma fonte intrínseca de poluição. A primeira propriedade permite que o ozônio
possa oxidar uma série de compostos inorgânicos e orgânicos. Dentre as substâncias químicas
ordinárias, somente o flúor (F
2
) possui um potencial de redução maior que o ozônio (E
0
≈ 3,0
V). Outros oxidantes normalmente empregados, tais como KMnO
4
(E
0
≈ 1,7 V) e Cl
2
(E
0
≈
1,4 V), costumam levar à formação de sub-produtos (íons de metais pesados e compostos
organoclorados, respectivamente) que podem ser inclusive mais tóxicos que os compostos
poluentes originais. Aqui se evidencia a segunda propriedade vantajosa do ozônio, pois seu
10
produto preferencial de degradação é o oxigênio, um produto não poluente e indispensável
para as atividades biológicas aeróbias dos ecossistemas aquáticos
11
.
A oxidação de poluentes ou efluentes pode ocorrer de maneira direta ou indireta
37
. Na
primeira, a molécula de ozônio pode reagir diretamente com outras moléculas orgânicas ou
inorgânicas via adição eletrofílica, conforme mostrado no esquema abaixo.
NO
2
-
+ O
3
→ NO
3
-
+ O
2
CN
-
+ O
3
→ CNO
-
+ O
2
SO
3
2-
+ O
3
→ SO
4
2-
+ O
2
R
2
C=CR
2
+ O
3
→ RCHO, R
2
CO, RCOOH (onde R = radical alquila ou H)
O ataque eletrofílico do ozônio pode acontecer a átomos com uma densidade de carga
negativa (N, P, O ou carbonos nucleofílicos) ou a ligações duplas ou triplas do tipo carbono-
carbono, carbono-nitrogênio e nitrogênio-nitrogênio
19
.
Indiretamente, o ozônio pode reagir através de reação radicalar, principalmente pelo
radical
.
OH, que é gerado pela decomposição do ozônio, conforme mostrado na Figura 2.5. O
radical hidroxila é um poderoso e não seletivo oxidante (E
0
= 2,80 V), que pode reagir
através de três mecanismos distintos: (i) abstração de hidrogênio, (ii) transferência de elétrons
ou (iii) adição radicalar (Figura 2.6). Os radicais secundários formados durante estas reações
podem novamente reagir com ozônio ou outros compostos
19
.
O
3
+ H
2
O → H
2
O
2
+ O
2
H
2
O
2
→ 2
.
OH
O
3
+
-
OH → O
2
-.
+ HO
2
.
O
3
+ HO
2
.
→
2 O
2
+
.
OH
Figura 2.5. Esquema de reações de decomposição do ozônio, formando espécies radicalares
(adaptado de Kunz et al., 2002)
19
.
Cl
3
CH +
.
OH → Cl
3
C
.
+ H
2
O (abstração de hidrogênio)
CO
3
2-
+
.
OH → CO
3
. -
+
-
OH (transferência de elétrons)
Figura 2.6. Exemplos de reações iniciadas por radical hidroxila (adaptado de Kunz et al.,
2002)
19
.
11
2.2.2. Degradação com metais de valência zero/radiação ultrassônica
Há muito tempo sabe-se que a presença de compostos orgânicos em meio aquoso pode
acelerar a corrosão de materiais metálicos, principalmente os à base de ferro. Dessa maneira,
chega a ser surpreendente que a reação inversa, ou seja, a modificação/degradação de
compostos orgânicos por metais de valência zero, não tenha recebido muita atenção até o final
do século passado
12
. Vários metais (tais como Zn, Sn, Pt, etc.) podem ser utilizados nesse tipo
de degradação, mas o emprego de ferro tem merecido grande destaque
13
.
As tecnologias fundamentadas na utilização de ferro metálico destacam-se entre as
várias que têm sido desenvolvidas para a redução de corantes têxteis e alimentícios. Trata-se
de um agente de elevado poder redutivo (E
0
Fe
0
/Fe
2+
= 0,440V) e baixo custo, que tem sido
recentemente relatado em vários estudos relacionados com a redução de compostos orgânicos
de relevância. Neste contexto, destacam-se os trabalhos que relatam a redução de compostos
nitro, haloaromáticos, além de corantes do tipo azo
14
. Nestes processos, o ferro zero-valente
reduz substratos orgânicos por transferência de dois elétrons, com formação concomitante de
Fe
2+
, conforme equação abaixo
35
.
R-N=N-R’ + 4H
+
+ 2Fe
0
→ R-NH
2
+ H
2
N-R’ + 2Fe
2+
Normalmente, o sistema permite uma rápida descoloração de corantes do tipo azo, em
razão da rápida redução do grupo cromóforo. Altas taxas de descoloração foram observadas
nas reações de nove azo corantes com Fe
0 (30)
.
A facilidade de obtenção (o ferro é o quarto elemento mais abundante da crosta
terrestre, representando 6,2% do seu peso
38
) aliada ao baixo custo e compatibilidade
ambiental, por não ser um elemento tóxico, torna esse metal ainda mais interessante no uso
como ferramenta de remediação ambiental. A Tabela 2.1 apresenta alguns metais e seus
respectivos potenciais padrões de redução.
12
Tabela 2.2. Potenciais padrões de redução de alguns metais comuns (Atkins, 2006)
39
.
Semi-reação de redução Potencial padrão (E
0
) de redução (V)
Sn
4+
+ 2e- → Sn
2+
+0,15
Fe
3+
+ 3e- → Fe
-0,04
Sn
2+
+ 2e- → Sn
-0,14
Cr
3+
+ e- → Cr
2+
-0,41
Fe
2+
+ 2e- → Fe
-0,44
Cr
3+
+ 3e- → Cr
-0,74
Zn
2+
+ 2e- → Zn
-0,76
Mn
2+
+ 2e- → Mn
-1,18
Al
3+
+ 3e- → Al
-1,66
Mg
2+
+ 2e- → Mg
-2,37
A perda da reatividade ao longo do tempo devido à passivação da superfície metálica
causada por precipitados é uma grande preocupação no processo. Embora alguns metais
apresentem um potencial de redução superior ao do ferro, estes metais apresentam uma
capacidade de passivação muito mais elevada, isto é, são muito mais susceptíveis à formação
de óxidos e/ou hidróxidos sobre a superfície metálica impedindo a transferência de elétrons
para o substrato. Desta forma, a utilização de técnicas como ultra-som podem ser utilizadas
nestes processos permitindo a limpeza contínua da superfície metálica, garantindo a
efetividade destes metais nos processos redutivos
40
.
A radiação ultrassônica tem sido aplicada ao tratamento de água nos últimos anos. Os
efeitos do ultra-som (US) resultam, primeiramente, de cavitações acústicas. A formação,
crescimento e colapso implosivo de bolhas em líquidos não somente libera uma energia
considerável num curto intervalo de tempo como também causa a agitação do líquido,
acelerando a transferência de massa. Imagina-se que o ultra-som serve para limpar a
superfície metálica dos intermediários ou produtos da reação, reativando-a assim para reações
subseqüentes
41
.
Em estudos visando o aumento da degradação redutiva do tetracloreto de carbono e do
nitrobenzeno por ferro metálico na presença de radiação ultra-sônica, Hung
42, 43
observou uma
sinergia considerável na associação dos dois processos, resultando em um aumento
significativo na resposta de degradação. Esse aumento foi atribuído a dois principais fatores:
(i) limpeza contínua e ativação química da superfície do Fe
0
, por combinar efeitos físicos e
13
químicos da cavitação acústica e (ii) aceleradas taxas de transporte dos reagentes à superfície
do Fe
0
.
2.2.3. Reagente de Fenton
2.2.3.1. Sistema Fenton clássico
Em 1876, H.J.H. Fenton observou pela primeira vez as propriedades fortemente
oxidantes de uma solução de peróxido de hidrogênio e íons Fe
2+ (15, 44)
. Utilizando esse
reagente, muitas moléculas orgânicas podiam ser facilmente oxidadas sem recorrer a altas
pressões, altas temperaturas ou equipamentos complexos. A reação Fenton é definida hoje
como a geração catalítica de radicais hidroxila (
.
OH) a partir da reação em cadeia entre o íon
ferroso (Fe
2+
) e o peróxido de hidrogênio (H
2
O
2
), em meio ácido, gerando CO
2
, H
2
O e sais
inorgânicos como produto final de sua reação
15, 16
. O mecanismo para a decomposição do
peróxido de hidrogênio catalisada por íons Fe
2+
foi amplamente descrita por Walling e
Goosen
17
. A reação global para a produção de
.
OH em pH ácido é:
Fe
2+
+ H
2
O
2
→ Fe
3+
+ OH
-
+
.
OH
Os radicais livres
.
OH podem então atacar os compostos orgânicos presentes na água,
levando à oxidação desses e produzindo CO
2
e H
2
O.
2
.
OH + RH → ROH + H
2
O → CO
2
/H
2
O
Embora possa mineralizar vários compostos orgânicos, o sistema Fenton clássico
também apresenta algumas desvantagens. Neste tipo de sistema, o pH do meio influencia a
extensão da oxidação, sendo que o pH ótimo de operação do sistema Fenton é próximo a 3.
Nesse pH, evita-se que os íons ferro sejam precipitados na forma de hidróxidos. Para se
ajustar o pH do meio a 3, são utilizados grandes volumes de ácido, normalmente ácido
sulfúrico. Assim, antes de esse sistema ser descartado, são realizadas neutralizações com uma
base, como NaOH, levando à formação de grandes quantidades de resíduo (lodo), que
também deverão ser descartados. Além disso, a reação Fenton é favorecida pelo aumento da
temperatura. Entretanto, para valores superiores a 40-50ºC, H
2
O
2
é decomposto rapidamente
em água e oxigênio, diminuindo a eficiência do processo
45
.
14
2.2.3.2. Sistema Fenton combinado
Para tornar mais eficiente o sistema de degradação com ferro metálico, Souza e
Zamora
46
propuseram a aplicação de um processo oxidativo avançado combinado, de maneira
a aproveitar a presença de Fe
2+
decorrente do processo redutivo. Tal processo oxidativo
fundamenta-se na geração do radical hidroxila por reação com Fe
2+
e peróxido de hidrogênio
(reação de Fenton). Os autores reportaram nesse trabalho um estudo de degradação de
corantes têxteis, utilizando um sistema que combina peróxido de hidrogênio e ferro metálico,
empregando-se lã de aço comercial como única fonte de ferro.
R-N=N-R’ + 4H
+
+ 2Fe
0
→ R-NH
2
+ H
2
N-R’ + 2Fe
2+
(processo redutivo)
Fe
2+
+ H
2
O
2
→ Fe
3+
+ OH
-
+
.
OH (reação de Fenton, etapa oxidativa)
A associação desses dois processos de degradação (processo redutivo com ferro
metálico, seguido do processo oxidativo Fenton utilizando o Fe
2+
gerado no meio reacional)
tem sido denominada como processo “Fenton avançado” ou “Fenton combinado”.
A ocorrência de processos Fenton em sistemas que contêm ferro metálico e peróxido
de hidrogênio tem sido reportada nos últimos anos, com excelentes resultados de degradação
de substratos resistentes como metil-terbutil-éter
47
, trinitrotolueno
48
e bifenilas
policlorinadas
49
.
2.3. Principais técnicas analíticas utilizadas
Diversas técnicas podem ser utilizadas na identificação e no monitoramento da
degradação de compostos orgânicos. Neste trabalho, as principais foram: (i) Espectrometria
de Absorção Molecular na região do Ultravioleta-Visível (EAM UV-Vis); (ii) Carbono
Orgânico Total (COT); (iii) Espectrometria de Massas com fonte de Ionização Electrospray
(ESI-MS) e (iv) Cromatografia Gasosa acoplada à Espectrometria de Massas (GC-MS).
2.3.1. Espectrometria de Absorção Molecular na Região do Ultravioleta-Visível
(EAM UV-Vis)
A Espectrometria de Absorção Molecular na região do Ultravioleta-Visível (EAM
UV-Vis) é uma técnica analítica que vem sendo há mais de 50 anos empregada para a
identificação e determinação quantitativa de muitas espécies moleculares inorgânicas,
15
orgânicas e bioquímicas em diferentes tipos de materiais
50
. É uma das técnicas analíticas mais
empregadas, em função de sua robustez, custo relativamente baixo e do grande número de
aplicações desenvolvidas
51
.
Quando a radiação eletromagnética contínua passa através de um material
transparente, uma parte dessa radiação pode ser absorvida. Como resultado da absorção de
energia, os átomos ou moléculas passam de um estado de baixa energia (estado fundamental)
para um estado de energia mais alta (estado excitado). A Figura 2.7 mostra esse processo de
excitação, que é quantizado. A radiação eletromagnética que é absorvida tem energia
exatamente igual à diferença de energia entre os estados excitado e fundamental
40
. A parte de
uma molécula responsável pela absorção de luz é chamada de cromóforo.
Figura 2.7. Esquema ilustrativo do processo de excitação de um elétron através de radiação
eletromagnética (adaptado de Skoog et al.
50
).
A técnica EAM UV-Vis é fundamentada na lei de Lambert-Beer, que é a base
matemática para medidas de absorção de radiação por amostras no estado sólido, líquido ou
gasoso, nas regiões ultravioleta, visível e infravermelho do espectro eletromagnético. Para
medidas de absorção de radiação em determinado comprimento de onda, tem-se:
A= log(I
o
/I) = εbc
Nessa equação, A é a absorvância, I
o
é a intensidade da radiação monocromática que
incide na amostra e I é a intensidade da radiação que emerge da amostra. A absortividade
molar (ε) é uma grandeza característica da espécie absorvente, cuja magnitude depende do
comprimento de onda da radiação incidente. O termo “c” é a concentração da espécie
absorvente e “b” é a distância percorrida pelo feixe através da amostra
52
.
Os requisitos essenciais para um espectrofotômetro (um sistema para medir a
absorvância da luz) estão apresentados na Figura 2.8. A luz proveniente de uma fonte com
emissão espectral contínua passa por um monocromador, que seleciona uma estreita faixa de
comprimentos de onda do feixe incidente. Essa luz “monocromática” passa pela amostra de
caminho ótico b, e a energia radiante da luz emergente é então medida
53
.
16
Figura 2.8. Componentes básicos de um espectrofotômetro (adaptado de Skoog et al.
50
).
Um espectrofotômetro UV-Vis mede a quantidade de luz absorvida a cada
comprimento de onda nas regiões UV (300-380 nm) e visível (380- 780 nm) do espectro. Em
um espectrofotômetro UV-Vis típico, temos duas fontes de luz: uma que emite radiação
eletromagnética na região UV do espectro, geralmente de deutério, e outra usada para emissão
de comprimentos de onda na região visível do espectro, geralmente de tungstênio. A troca
entre as lâmpadas de deutério e tungstênio é feita em torno de 360 nm, de forma que esteja
sempre sendo usada a fonte mais intensa. O detector é geralmente uma fotomultiplicadora,
embora em instrumentos mais modernos estejam sendo usados fotodiodos
53
.
A EAM UV-Vis pode ser usada na elucidação da estrutura de moléculas orgânicas,
embora seu principal emprego em Química Analítica esteja relacionado com a determinação
da concentração de analitos em uma amostra desconhecida. A relação A = εbc indica que a
quantidade de absorção por uma amostra, em determinado comprimento de onda, depende de
sua concentração. Essa relação é geralmente linear sobre a faixa de concentração adequada
para análise. Para determinar a concentração de amostras desconhecidas, é necessária a
construção de uma curva de calibração usando soluções com concentrações conhecidas. Neste
caso, deve ser selecionado o comprimento de onda de máxima absorção (λ
máx
). Assim, o valor
de absorvância da amostra é lido no espectrofotômetro e sua concentração é obtida da curva
de calibração através do ponto de intersecção com o eixo das abscissas
50
.
Para uma análise espectrofotométrica, geralmente escolhemos o comprimento de onda
de máxima absorvância por dois motivos: (i) a lei de Lambert-Beer é obedecida de forma
mais rigorosa neste comprimento de onda; (ii) a sensibilidade da análise é maior na região
correspondente à absorvância máxima (ou seja, conseguimos um máximo de resposta para
uma mesma concentração de analito)
53
.
2.3.2. Carbono Orgânico Total (COT)
O carbono orgânico total (COT) é um dos parâmetros mais relevantes para a
determinação global de poluentes na água e em efluentes
54
. Tem sido empregado com sucesso
como um indicador de poluição geral para compostos orgânicos voláteis e não voláteis
55
. Sua
determinação é realizada em diferentes áreas de pesquisa e os dados obtidos são de interesse
17
em diferentes cenários ambientais e industriais. Exemplos de aplicações das análises de COT
incluem: indicação de contaminação de água por compostos orgânicos sintéticos,
caracterização química, grau de humificação de resíduos, estimativa de teor de carbono do
solo, ciclo de carbono no solo e fluxo de carbono em sistemas aquáticos
56
.
A determinação de COT (em inglês, TOC – Total Organic Carbon) envolve a
completa oxidação de orgânicos e a detecção do dióxido de carbono produzido pela
oxidação
54, 56
. Vários métodos de oxidação e medição de CO
2
são usados em diferentes
combinações em alguns analisadores de COT. Essa oxidação pode ser induzida por alguns
métodos, incluindo oxidação fotocatalítica, oxidação química e combustão por alta
temperatura
57
.
As medidas de COT são realizadas através de dois métodos: direto ou indireto. A idéia
é converter todas as diferentes formas de carbono numa única forma: CO
2
, que é mais fácil de
medir quantitativamente
55
. No método direto, o COT presente na amostra é quantificado em
duas etapas. A primeira remove o Carbono Inorgânico (em inglês, Inorganic Carbon – IC) por
meio de tratamento ácido, para posteriormente o Carbono Orgânico (em inglês, Organic
Carbon – OC) poder ser quantificado. Na segunda etapa é utilizada oxidação química para
determinar o conteúdo de OC. No método indireto, a quantidade de Carbono Orgânico Total é
obtida pela subtração matemática do conteúdo de IC da medida de Carbono Total (em inglês,
Total Carbon – TC). TC é quantificado pela oxidação de todo o carbono presente (TOC e IC).
O IC, por sua vez, é medido após tratamento ácido ou pela decomposição após eliminação de
OC
56
.
No método indireto, portanto, a concentração de TOC pode ser determinada pela
subtração da concentração de IC da de TC, conforme a equação abaixo:
TOC = TC – IC
Tal subtração é feita pelo equipamento de análise de TOC, mostrado na Figura 2.9.
18
Figura 2.9. Esquema de um analisador de TOC. (adaptado de Clementino, 2006)
58
.
Na quantificação do TC, o tudo de combustão é preenchido por um catalisador e
aquecido a 680ºC. O gás de arraste é fornecido nesse tubo com taxa de fluxo de 150 mL/min.
Quando a amostra é introduzida no tubo de combustão TC pelo injetor, o componente TC da
amostra (TOC e IC) sofre combustão para formar CO
2
. O gás de arraste leva o produto da
combustão (CO
2
), que é resfriado e secado por um desumidificador. O cloro é retirado pela
célula de halogênio e então o CO
2
é detectado pelo NDIR (infravermelho não-dispersável). O
detector gera um sinal que forma um pico e a área é calculada por um processador de dados.
O pico é proporcional à concentração do TC na amostra. Para quantificar o IC, a amostra é
introduzida pelo injetor dentro do vaso de reagente IC (contém reagente IC – ácido fosfórico).
Apenas o componente IC na amostra é decomposto para formar CO
2
que será detectado
58
.
2.3.3. Espectrometria de Massas
2.3.3.1. Introdução e Princípios Gerais
A espectrometria de massas (EM) é uma ferramenta que vem sendo utilizada há muito
tempo para a medida de isótopos e para determinar a estrutura de moléculas orgânicas. É
utilizada para o estudo das massas de átomos, moléculas ou fragmentos de moléculas
53
. É
uma das mais antigas e eficientes técnicas analíticas. Teve seu início nos trabalhos de J. J.
Thomsom, que foi premiado com o Nobel em física em 1906 com seus trabalhos de descarga
elétrica e descoberta do elétron
45, 59
. A primeira aplicação geral da espectrometria de massas
para análise química de rotina ocorreu no início dos anos 1940, quando a técnica começou a
19
ser adotada pela indústria petrolífera para a análise quantitativa das misturas de
hidrocarbonetos produzidas em craqueamentos catalíticos
50
.
Os princípios científicos em que a técnica se baseia são simples. A essência da técnica
envolve a geração de íons que são depois detectados. A sofisticação surge nos métodos que
são usados para a geração desses mesmos íons e no modo de analisá-los.
Um espectrômetro de massas pode ser entendido, via de regra, como um instrumento
contendo uma fonte de íons, um analisador de massas, um detector e um registrador.
O
analisador de massas mede os íons de acordo com sua razão massa/carga (m/z) (onde m é a
massa do íon em unidades de massa atômica e z é sua carga) que, chegando ao detector,
geram um sinal elétrico interpretado na forma de espectro de massas. A partir do valor de m/z,
consegue-se estimar ou obter o valor exato da massa nominal da substância. Quase todas as
substâncias podem ser analisadas por EM, já que existem diversos tipos de fontes de
ionização, analisadores de massas e detectores
60
. As análises em geral são rápidas e
apresentam um excelente limite de detecção. A possibilidade de acoplamento com técnicas de
separação como cromatografia a gás e líquida ou eletroforese capilar tem-se mostrado outra
grande vantagem da espectrometria de massas com relação a outras técnicas analíticas.
Existem diversos tipos de espectrômetros de massas, cada qual com suas vantagens e
limitações. Porém, todos eles apresentam sempre os mesmos componentes básicos: sistema de
introdução de amostra, fonte de ionização, analisador de massas, detector e registrador. Uma
análise por espectrometria de massas envolve as seguintes etapas: (1) atomização, (2)
conversão de uma fração substancial dos átomos formados na etapa 1 em um feixe de íons, (3)
separação dos íons formados na etapa 2, com base na razão massa/carga (m/z), e (4) contagem
do número de íons de cada tipo
50
.
Figura 2.10. Componentes básicos de um espectrômetro de massas
50
.
20
Na fonte de íons, os componentes de uma amostra são convertidos em íons, pela ação
de um agente ionizante. Os íons positivos ou negativos são imediatamente acelerados através
de um campo elétrico em direção ao analisador de massas. A função do analisador de massa é
separar tais íons de acordo com a sua relação massa/carga (m/z). Os espectrômetros de massas
podem ser classificados em várias categorias dependendo da natureza do analisador de
massas. Finalmente um detector recebe os íons que foram separados pelo analisador,
transformando a corrente de íons em sinais elétricos que são processados, armazenados na
memória de um computador e mostrados em uma tela
60
.
2.3.3.2. Métodos de Ionização
Nas fontes de íons, as amostras a serem analisadas são ionizadas antes da análise no
espectrômetro de massas. Uma variedade de técnicas de ionização é utilizada na
espectrometria de massas. As considerações mais importantes são a energia interna transferida
durante o processo de ionização e as propriedades físico-químicas do analito que pode ser
ionizado. Algumas técnicas de ionização são muito energéticas e causam fragmentações
extensivas. Outras são mais brandas e somente produzem íons em espécies moleculares
61
.
Atualmente os maiores avanços tecnológicos na área de espectrometria de massas têm
ocorrido nas fontes de ionização
45
.
Os métodos de ionização mais conhecidos são: ionização por elétrons (EI), ionização
química (CI), bombardeamento por átomos rápidos (FAB), dessorção/ionização a laser
auxiliada por matriz (MALDI), ionização química a pressão atmosférica (APCI) e ionização
por electrospray (ESI). EI e CI são adequadas para analisar apenas moléculas voláteis e
termicamente estáveis, pois os íons são formados na fase gasosa. A técnica FAB (Fast Atom
Bombardment) pode ser aplicada para amostras que normalmente não são analisadas pelas
técnicas EI e CI. Ela permite a análise direta da amostra sem a necessidade de pré-
concentração ou extração. A técnica MALDI (Matrix Assisted Lazer Dessortion/Ionization)
baseia-se na ionização do analito adsorvido em uma substância (matriz) por um feixe de laser.
Na técnica APCI (Atmospheric Pressure Chemical Ionization) ocorrem reações íon-molécula
em fase gasosa. É uma técnica parecida com a CI, porém na APCI todo o processo ocorre sob
pressão atmosférica
61
.
Neste trabalho, a técnica de ionização utilizada foi a ionização por electrospray (ESI –
Electrospray Ionization), que será descrita adiante com mais detalhes.
21
2.3.3.3. Ionização por Electrospray
2.3.3.3.1. Histórico e Introdução
O primeiro experimento utilizando electrospray foi realizado por Chapman, no final da
década de 1930, e o primeiro experimento prático envolvendo ionização por electrospray e
espectrometria de massas foi concluído por Dole no final da década de 1960. Dole também
descobriu o importante fenômeno das múltiplas cargas das moléculas. Entretanto seus
experimentos não foram convincentes, pois visavam a análise de espécies poliméricas, como
poliestireno, que não estão ionizadas em solução
62
. Mais de 20 anos se passaram até que os
trabalhos de John Fenn no laboratório demonstraram pela primeira vez o uso da técnica ESI
para a ionização branda de compostos biológicos de elevada massa, e suas subseqüentes
análises por espectrometria de massas. Em 1984, Yamashita e Fenn demonstraram a
aplicabilidade de ionização por electrospray como método de ionização branda
63
. O trabalho
levou John Fenn a compartilhar o prêmio Nobel em química de 2002, devido aos avanços
proporcionados pela técnica. Nos artigos originais do final da década de 80, Fenn e seus
colaboradores demonstraram com sucesso os princípios experimentais e metodologias básicas
da técnica ESI, incluindo a ionização branda de compostos não voláteis e termicamente
instáveis, proteínas multicarregadas e ionização intacta de complexos. ESI-MS é hoje uma
ferramenta básica utilizada em muitos laboratórios de química e bioquímica no mundo.
Há, essencialmente, três características que fazem com que a ionização por
electrospray seja considerada uma técnica distinta das outras técnicas de ionização. A
primeira delas é a capacidade de produzir íons multiplamente carregados, com número de
cargas elevado, reduzindo, assim a razão m/z, de tal modo que seja possível analisar
compostos de elevada massa molecular até centenas de kDa, em praticamente todos os tipos
de analisadores. Uma segunda característica é que as amostras a serem analisadas devem ser
introduzidas em solução, o que faz com que seja possível o acoplamento com várias técnicas
de separação. Por último, e não menos importante, electrospray é uma técnica de ionização
suave, permitindo que as interações não covalentes entre moléculas que existem em solução
sejam preservadas na fase gasosa.
O desenvolvimento da espectrometria de massas com ionização por electrospray
permitiu novas possibilidades para análise de compostos de elevada massa molecular de todos
os tipos, incluindo proteínas, nucleotídeos e polímeros sintéticos, sendo por isso uma técnica
muito usada em investigação biológica, bioquímica, farmacêutica e médica.
22
2.3.3.3.2. Mecanismo de ionização electrospray
Electrospray é um método pelo qual íons, presentes em uma solução, podem ser
transferidos para a fase gasosa
62
. A ionização por electrospray envolve a formação de um
spray eletrolítico de uma solução, que gera pequenas gotas carregadas, e destas são liberados
os íons. A implementação de uma fonte de electrospray é bastante simples se comparado com
outras fontes de ionização em espectrometria de massas. É necessária uma fonte de alta tensão
(1,0 a 7,0 kV) que esteja em contato com a solução contendo eletrólitos. Esta solução é
bombeada através de um microcapilar (diâmetro interno 50 a 100 µm) com uma velocidade de
fluxo da ordem de 1 a 20 µL/min ou menores
64
.
Quando um potencial positivo é aplicado na solução, os íons positivos tendem a se
afastar para uma região menos positiva, isto é, em direção ao contra-eletrodo. Assim, a gota
sendo formada na ponta do capilar estará enriquecida em íons positivos. Conforme a
densidade de carga aumenta na gota, o campo elétrico formado entre o capilar e o contra
eletrodo aumenta provocando uma deformação na gota que está presa na ponta do capilar. A
gota ganha forma de um cone, o qual é denominado cone de Taylor
65
.
Essa gota na forma de cone permanece “presa” ao capilar até o momento em que a densidade
de carga na superfície da gota e o aumento da repulsão entre os íons vençam a tensão
superficial do líquido, ocorrendo então a liberação de pequenas gotas com alta densidade de
carga. A freqüência desse processo depende da magnitude do campo elétrico, da tensão
superficial do solvente e da condutividade da solução. Depois da liberação das gotas com alta
densidade de carga do cone de Taylor, essas passam pela região entre a ponta do capilar e o
contra eletrodo e vão sofrendo dessolvatação. A massa do solvente é reduzida por evaporação,
sendo que para auxiliar este processo há um fluxo de gás inerte secante, normalmente
nitrogênio, e a temperatura da câmara, de 30°C a 100°C. Conforme a gota perde solvente, a
densidade de carga aumenta até um ponto em que esta vence a tensão superficial (limite de
“Rayleigh”) e gotículas são liberadas. Este processo também é conhecido como explosões de
Coulomb ou “Coulômbicas”
64
. A Figura 2.11 representa esquematicamente o mecanismo de
formação de íons pela técnica ESI.
23
Figura 2.11. Representação esquemática do mecanismo de formação de íons pela técnica ESI
(adaptado de Cole
62
).
2.3.3.3.3. Aplicações
Nos últimos anos, a ionização por electrospray tem sido extensivamente empregada.
Dados da literatura reportam a utilização da técnica para diferentes finalidades, podendo-se
destacar a identificação de substâncias em soluções aquosas, determinação de resíduos de
agrotóxicos em água e alimentos, identificação de produtos de relevância ambiental,
mapeamento proteônico, screening de drogas, adulteração de bebidas, entre outros
40
.
Um levantamento na literatura mostra que, de 1980 a 2000, o número aproximado de
artigos publicados usando “electrospray” passou de 100 para 7800, sendo que 80% destes
estão relacionados com análise de biomoléculas e de compostos orgânicos, 10% são relativos
à instrumentação e estudos sobre os aspectos fundamentais da formação do “electrospray” e
10% das publicações estão associadas a espécies organometálicas e inorgânicas nas mais
diferentes formas
64
.
24
C
APÍTULO
3
–
O
BJETIVOS
Os principais objetivos deste trabalho foram:
- Investigar a eficiência de diferentes processos oxidativos (ozonólise e Fenton combinado) e
redutivos (Fe
0
e Sn
0
na presença de radiação ultrassônica) na degradação de moléculas dos
corantes alimentícios azul brilhante (classe trifenilmetano), amaranto, amarelo crepúsculo e
vermelho 40 (classe azo), uma vez que esses processos são considerados alternativas
promissoras no tratamento de efluentes domésticos e industriais;
- Otimizar os processos redutivos de degradação através de planejamentos fatoriais;
- Monitorar os processos de degradação desses poluentes, bem como verificar a possível
formação de intermediários, utilizando as seguintes técnicas analíticas: Espectrometria de
Absorção Molecular na Região do Ultravioleta-Visível (EAM UV-Vis), Carbono Orgânico
Total (COT), Espectrometria de Massas com Fonte de Ionização Electrospray (ESI-MS) e
Cromatografia Gasosa acoplada à Espectrometria de Massas (GC-MS);
- Avaliar a toxicidade das soluções dos corantes, bem como seus produtos de degradação
formados pelo processo oxidativo ozonólise, frente ao crustáceo Artemia salina.
25
C
APÍTULO
4
–
P
ARTE
E
XPERIMENTAL
4.1. Ozonólise
Pipetaram-se 25,00 mL de solução aquosa 2,0 x 10
-5
mol L
-1
de cada corante em
diferentes tubos de ensaio. Cada tubo contendo a solução foi exposto a um fluxo de ozônio de
1,73 x 10
-8
mols min
-1
em capela, por períodos que variaram de 0 a 120 min. A produção de
ozônio foi obtida por meio de um fluxo contínuo de ar sintético (pureza 99,999%) no
ozonizador (Eletrozon). Após o termino da reação, as soluções foram separadas em diferentes
alíquotas, para posteriores análises por COT, UV-Vis, ESI-MS e GC-MS (no caso do corante
amaranto).
4.2. Degradação com metais de valência zero/radiação ultrassônica
Os metais utilizados foram Fe
0
e Sn
0
(Synth). Esse processo de degradação foi
otimizado por planejamentos fatoriais, os quais serão apresentados no capítulo 5.
Pesou-se a massa desejada de metal, que nos experimentos realizados variou de 20,0 a
100,0 mg, e logo em seguida transferiu-se para tubo de ensaio. Pipetaram-se 25,00 mL da
solução aquosa 2,0 x 10
-5
mol L
-1
do corante para o tubo de ensaio e ajustou-se o pH para 3,0
com solução de ácido sulfúrico 1:1. A seguir, os tubos de ensaio foram expostos à radiação
ultrassônica em banho ultrassom (Unique modelo USC-1400A, frequência 40 kHz,
Indaiatuba, SP), por períodos que variaram de 0 a 120 minutos. Decorrido o tempo de
exposição, filtraram-se as soluções com filtros Millipore (Millex HV (PVDF) 0,45 µm de
poro/33 mm de diâmetro, Billerica, MA), separando-se em diferentes alíquotas, para
posteriores análises por COT, UV-Vis e ESI-MS.
Comparando-se a eficiência dos metais ferro e estanho na degradação dos corantes, o
ferro apresentou melhores resultados. Sendo assim, este foi o metal utilizado nos demais
experimentos, que incluíam medidas de carbono orgânico total. Para minimizar os efeitos de
contaminação com matéria orgânica, o ferro metálico utilizado foi então tratado a 450 ºC por
60 minutos em estufa com atmosfera de argônio, tendo por objetivo a remoção da matéria
orgânica eventualmente presente no material.
26
4.3. Degradação via sistema Fenton combinado
Pesaram-se 2,0 mg de Fe
0
, que foram adicionadas ao tubo de ensaio. Em seguida,
pipetaram-se 25,00 mL da solução aquosa 2,0 x 10
-5
mol L
-1
do corante e o pH foi ajustado
para 3,0 com solução de ácido sulfúrico 1:1. Feito isso, pipetaram-se 25,0 µL de H
2
O
2
30%
m/v (Isofar) e imediatamente ligou-se a agitação magnética. Foram coletadas alíquotas em
tempos que variaram de 0 a 120 min. Terminada a reação, filtrou-se a solução resultante com
filtro Millipore (Millex HV (PVDF) 0,45 µm de poro/33 mm de diâmetro), separando-se em
diferentes alíquotas, para as análises por COT, UV-Vis e ESI-MS.
4.4. Análises por Espectrometria de Absorção Molecular UV-Vis
O aparelho utilizado foi um Espectrofotômetro UV-Vis HITACHI U-2010 (Tokyo,
Japão).
A amostra a ser analisada foi transferida para uma cubeta de quartzo (caminho ótico de
1 cm). Numa outra cubeta de quartzo idêntica foi colocado o solvente, e esta foi introduzida
no aparelho, no local indicado. Os espectros, portanto, foram obtidos com a absorvância do
“branco” já subtraída.
As varreduras foram executadas de 689 a 190 nm, com intervalos de 0,5 nm. Os
espectros obtidos foram então exportados em arquivos para serem tratados no programa
Origin 8.0
.
4.5. Análises por COT
Utilizou-se um Analisador de Carbono Orgânico Total SHIMADZU TOC-VCPH
(Kyoto, Japão). Para as análises, 15,00 mL de cada amostra foram diluídos com 10,00 mL de
água Milli-Q antes da introdução no sistema de injeção do aparelho.
O programa utilizado forneceu os resultados de Carbono Orgânico Total (COT)
através da diferença entre o Carbono Total (CT) e o Carbono Inorgânico (CI) (método
indireto).
27
4.6. Análises por Espectrometria de Massas com Fonte de Ionização
Electrospray (ESI-MS)
O aparelho utilizado foi um Espectrômetro de Massas com Fonte de Ionização
Electrospray (ESI-MS) modelo LCQ Fleet (Thermo Scientific, San Jose, CA) com analisador
ion trap.
As amostras foram diluídas em metanol na proporção 1:1 e analisadas por infusão
direta por meio do bombeamento com uma seringa de 500 µL (Hamilton, Reno, NV), sem
adição de ácido ou base, utilizando-se o modo negativo para leitura. O fluxo utilizado variou
de 10 a 30 µL min
-1
. Os espectros de massas foram obtidos como uma média de 50
varreduras, em intervalos de 0,02 s. A voltagem do spray, temperatura e voltagem do capilar e
demais parâmetros foram ajustados de acordo com a amostra para se obter uma resposta
máxima. Nitrogênio foi utilizado como gás de secagem/auxiliar. A varredura empregada
variou de acordo com as razões m/z dos íons em estudo. Nos experimentos MS/MS, um íon de
interesse foi selecionado e fragmentado por colisão com gás hélio, para gerar fragmentos com
intensidades mensuráveis.
4.7. Análises por Cromatografia Gasosa acoplada à Espectrometria de Massas
(GC-MS)
Para as análises via GC-MS, utilizou-se a micro extração em fase sólida (SPME) como
método de extração. Utilizou-se fibras de 75 µm com CAR/PDMS (carboxen
TM
/
/polidimetilsiloxano) da marca Supelco (Bellefonte, PA, USA). Antes de serem utilizadas, as
fibras foram condicionadas seguindo as instruções do fabricante. Para a extração as fibras
foram inseridas diretamente nas soluções a serem analisadas por 20 min, a temperatura
ambiente, e depois introduzidas no injetor do cromatógrafo a gás.
As análises foram realizadas num cromatógrafo (Trace GC Ultra) acoplado a um
espectrômetro de massas com analisador ion trap (POLARIS Q) (ThermoElectron, San Jose,
CA). Foi utilizada uma coluna capilar (30 m x 0,25 mm di x 0,25 µm filme) HP-5MS
(Agilent, Santa Clara, CA) contendo 5% de difenil e 95% de dimetilpolisiloxano. O injetor foi
ajustado para operar no modo splitless por 2 min sob uma temperatura de 250 ºC. A seguinte
programação de temperatura do forno foi utilizada: 120 ºC (por 2 min) com um incremento de
10 ºC min
-1
até 290 ºC (por 5 min) e terminando com um incremento de 10 ºC min
-1
até 300
ºC por 2 minutos. O tempo total de corrida foi 27 minutos por amostra e hélio foi utilizado
28
como gás de arraste a um fluxo constante de 1,5 mL min
-1
. Os seguintes parâmetros foram
utilizados durante a operação do espectrômetro de massas: ionização por impacto de elétrons
a 70 eV, modo full scan com faixa de massas de 50-400 e temperatura da fonte 200 ºC.
4.8. Testes de ecotoxicidade
Para se avaliar a toxicidade dos corantes estudados e de seus produtos de degradação,
foram realizados testes de ecotoxicidade com o crustáceo Artemia salina. A montagem dos
testes seguiu o procedimento descrito por McLaughlin, Colman-Saizarbitoria e Anderson
66
.
Preparou-se o meio de cultura dos ovos de Artemia salina utilizando-se 38 gramas de
sal marinho para cada litro de água. O meio de cultura foi então filtrado e adicionado a um
pequeno tanque semi-aberto (foi utilizada uma bacia de vidro, coberta em sua metade). Foram
acrescentados ovos do crustáceo ao lado coberto do tanque e, com um feixe de luz (lâmpada
incandescente com filamento de tungstênio; potência de 100 W), foi mantida a claridade no
lado oposto durante 24 horas. Por serem fototrópicas, as artemias migram em direção à luz
após a eclosão dos ovos.
Foram avaliadas soluções dos corantes azul brilhante, amaranto, amarelo crepúsculo e
vermelho 40, todas com concentrações iniciais de 2,0 x 10
-5
mol L
-1
. Além disso, avaliou-se
também a toxicidade dos produtos de degradação desses corantes. Para isso, 20,00 mL da
solução de cada corante foram submetidos à ozonólise por 120 minutos. A ozonólise foi
escolhida, neste caso, por se tratar de um método de oxidação que não deixa produtos
residuais.
Para cada teste de ecotoxicidade, três concentrações distintas de cada solução (padrão
e após reação de degradação) foram analisadas. Utilizaram-se 9 frascos para cada bio-ensaio,
referentes a 3 concentrações feitas em triplicata. Realizou-se um bio-ensaio, também em
triplicata, numa amostra controle, consistindo esta apenas do meio de cultura utilizado.
Utilizou-se um volume final de 5,00 mL para cada frasco e as diluições foram de 50, 25 e
10% das soluções em estudo. Sendo assim, pipetaram-se para os frascos, respectivamente
2,50; 1,25 e 0,50 mL. Finalmente, a cada frasco foram adicionados 10 crustáceos e o volume
foi completado para 5,00 mL com a solução de sal marinho. Montado o experimento, os
frascos, incubados com as artemias, foram deixados em repouso e novamente iluminados pela
lâmpada fixada ao suporte por um período de 24 horas. Cessado este tempo, realizou-se a
contagem visual do número de crustáceos, mortos e sobreviventes.
A determinação da toxicidade foi realizada através do percentual de mortalidade dos
crustáceos, que foi corrigido através da Fórmula de Abbott
67
. Foram utilizadas duas equações
29
(Tabela 4.1), uma para o cálculo da toxicidade das soluções padrão dos corantes, e outra para
o cálculo da toxicidade dessas soluções depois de submetidas à ozonólise.
Tabela 4.1. Equações utilizadas para o cálculo do percentual de mortalidade nos testes de
ecotoxicidade com Artemia Salina.
Toxicidade das soluções padrão dos
corantes
Toxicidade das soluções padrão depois de
submetidas à ozonólise
Co emn
P emn
-1 x 100 = corrigido emortalidad %
P emn
T emn
-1 x 100 = corrigido emortalidad %
Onde,
n = população de artemias (valor médio das três repetições)
P = amostra padrão
T = amostra após tratamento (ozonólise)
Co = amostra controle
.
30
C
APÍTULO
5
–
R
ESULTADOS E
D
ISCUSSÃO
5.1. Geral
Nesta etapa do trabalho serão apresentados os resultados obtidos com os três processos
de degradação utilizados para cada corante, enfatizando-se a remoção da cor da solução
(monitorada por Espectrometria UV-Vis) e as medidas de Carbono Orgânico Total.
5.1.1. Degradação do corante azul brilhante
5.1.1.1. Identificação do valor de λ
max
Utilizando-se uma solução aquosa de concentração 2,0 x 10
-5
mol L
-1
, foram realizadas
várias medidas no espectrofotômetro UV-Vis, obtendo-se o valor de 629 nm para o
comprimento de onda de máxima absorvância.
5.1.1.2. Curva de calibração
No comprimento de onda de 629 nm foram feitas medidas de absorvância para
soluções aquosas de diversas concentrações do corante, variando de 2,5 x 10
-6
mol L
-1
a 2,0 x
10
-5
mol L
-1
. Obteve-se a curva de calibração que é mostrada na Figura 5.1.
0,0
5,0x10
-6
1,0x10
-5
1,5x10
-5
2,0x10
-5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Absorvância
Conc. (mol L
-1
)
y = 98530x + 0,015
R
2
= 0,9989
Figura 5.1. Curva de calibração, em meio aquoso, para soluções do corante azul brilhante.
λ
max
= 629 nm.
31
Uma excelente linearidade é observada na curva obtida (R
2
= 0,9989), mostrando que,
na faixa de concentrações estudada, a absorvância é diretamente proporcional à concentração
do corante.
5.1.1.3. Processos oxidativos e redutivos utilizados
5.1.1.3.1. Ozonólise
Soluções de concentração 2,0 x 10
-5
mol L
-1
do corante azul brilhante foram
submetidas ao fluxo de ozônio por tempos que variaram de 0 a 120 min. Os espectros UV-Vis
das soluções resultantes são mostrados em conjunto na Figura 5.2.
200 300 400 500 600 700
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Absorvância
Comprimento de onda (nm)
0 min.
2 min.
5 min.
8 min.
10 min.
15 min.
20 min.
30 min.
50 min.
70 min.
100 min.
120 min.
Figura 5.2. Espectros UV-Vis de soluções aquosas do corante azul brilhante (2,0 x 10
-5
mol L
-
1
), tratadas com ozônio por tempos variados.
A Figura 5.3 mostra as soluções do corante azul brilhante, após diversos tempos de
exposição ao fluxo de ozônio.
32
Figura 5.3. Soluções do corante azul brilhante, respectivamente após: 1, 2, 3, 5, 8, 10, 15 e 20
minutos de reação com O
3
.
Foram feitas determinações de carbono orgânico total nas soluções obtidas após os
diferentes tempos de exposição ao fluxo de ozônio, com o intuito de monitorar a quantidade
de matéria orgânica degradada no processo. A concentração do corante em solução foi
monitorada por UV-Vis, utilizando-se o
λ
max
629 nm. A Figura 5.4 traz em conjunto os
resultados das análises de COT e UV-Vis.
Figura 5.4. Concentração normalizada do corante azul brilhante (C/C
0
) em função do tempo
de reação, monitorada por UV-Vis (
λ
max
= 629 nm), e quantidade de Carbono Orgânico Total
(COT/COT
0
). Degradação via ozonólise em meio aquoso. C
0
=2,0 x 10
-5
mol L
-1
e COT
0
=9,6
mg L
-1
.
Analisando o gráfico da Figura 5.4 percebe-se que com apenas 20 minutos de reação
praticamente todo o corante foi removido da solução, o que é confirmado observando-se os
espectros UV-Vis da Figura 5.2 e as fotos das soluções na Figura 5.3. Observa-se também
que, após 120 minutos de reação a solução apresenta ainda aproximadamente 82% da
33
quantidade de COT inicial, indicando a formação de outras espécies orgânicas como produtos
de degradação no processo.
5.1.1.3.2. Degradação com metais de valência zero/radiação ultrassônica
Com o intuito de otimizar o método de degradação com metais de valência
zero/radiação ultrassônica, realizou-se planejamentos fatoriais 2
2
com pontos centrais. As
variáveis estudadas foram o tempo de exposição à radiação ultrassônica e a massa do metal.
Os metais utilizados foram Fe
0
e Sn
0
.
A concentração do corante nos diversos experimentos foi monitorada por UV-Vis,
utilizando-se o
λ
max
629 nm.
5.1.1.3.2.1. Fe
0
A Tabela 5.1 e a Figura 5.5 mostram os resultados obtidos na otimização do processo
de degradação do corante azul brilhante com o metal Fe
0
. As leituras foram realizadas por
EAM UV-Vis, no
λ
max
629 nm. A concentração inicial da solução foi 2,0 x 10
-5
mol L
-1
e o
pH utilizado foi 3,0.
Tabela 5.1. Planejamento fatorial 2
2
com ponto central. Corante: azul brilhante. Metal: Fe
0
.
Massa (mg) Tempo (min) % Degradação
20 (-) 10 (-) 47,15
100 (+) 10 (-) 75,62
20 (-) 30 (+) 83,54
100 (+) 30 (+) 92,81
60 (PC) 20 (PC) 86,96
60 (PC) 20 (PC) 93,22
60 (PC) 20 (PC) 91,87
34
Variável Dependente: % Degradação
-2,91234
5,722622
6,315838
8,12471
p=0,05
Efeito estimado (Valor absoluto)
1by2
(1)Massa (mg)
Curvatr.
(2)Tempo (min)
(a) (b)
Figura 5.5. Gráfico de Pareto (a) e superfície de resposta (b), obtidos pelo planejamento
fatorial 2
2
com ponto central. Corante: azul brilhante. Metal: Fe
0
.
Através da análise do gráfico de Pareto, percebe-se que a variável “tempo de
exposição à radiação ultrassônica” é mais significativa que a variável “massa de metal (Fe
0
)”,
e a interação entre ambas é não significativa. A superfície de resposta revela uma tendência de
aumento gradativo na resposta (% de degradação) com aumento da massa de metal e do
tempo de exposição. Como a curvatura também foi significativa, verifica-se que condições
próximas as utilizadas no ponto central do planejamento são mais indicadas, pois apresentam
uma boa taxa de descoloração, mantendo valores convenientes para a massa de ferro e o
tempo de degradação.
Uma vez otimizadas as condições de análise, foram feitos novos experimentos,
utilizando 60 mg de Fe
0
e 120 minutos de exposição à radiação ultrassônica (este tempo foi
escolhido por ter sido o mesmo utilizado nos processos ozonólise e Fenton combinado).
Foram então executadas medidas de UV-Vis e COT, bem como adquiridos espectros ESI-MS,
que serão mostrados posteriormente nesta dissertação.
5.1.1.3.2.1 Sn
0
A Tabela 5.2 e a Figura 5.6 mostram os resultados obtidos na otimização do processo
de degradação do corante azul brilhante com o metal Sn
0
. As leituras foram realizadas por
EAM UV-Vis, no
λ
max
629 nm. A concentração inicial da solução foi 2,0 x 10
-5
mol L
-1
e o
pH utilizado foi 3,0.
35
Tabela 5.2. Planejamento fatorial 2
2
com ponto central. Corante: azul brilhante. Metal: Sn
0
.
Massa (mg) Tempo (min) % Degradação
20 (-) 10 (-) 18,48
100 (+) 10 (-) 18,48
20 (-) 30 (+) 14,70
100 (+) 30 (+) 38,04
60 (PC) 20 (PC) 20,65
60 (PC) 20 (PC) 19,46
60 (PC) 20 (PC) 20,02
Variável Dependente: % Degradação
-5,23788
13,25286
19,60214
19,60214
p=0,05
Efeito Estimado (Valor Absoluto)
Curvatr.
(2)Tempo (min)
1by2
(1)Massa (mg)
(a) (b)
Figura 5.6. Gráfico de Pareto (a) e superfície de resposta (b), obtidos pelo planejamento
fatorial 2
2
com ponto central. Corante: azul brilhante. Metal: Sn
0
.
Percebe-se, pela análise dos resultados obtidos, que as taxas de degradação alcançadas
utilizando o metal Sn
0
são bem menores do que aquelas alcançadas com o metal Fe
0
.
Tomando como referência os valores máximos das variáveis (100 mg de metal e 30 minutos
de exposição), por exemplo, temos 92,81% de degradação para o Fe
0
contra apenas 38,04%
para o Sn
0
.
Os mesmos experimentos (degradação com metais de valência zero (Fe
0
e
Sn
0
)/radiação ultrassônica) foram executados com os demais corantes e os resultados obtidos
com o metal Sn
0
não foram tão satisfatórios quanto aqueles obtidos com o Fe
0
, conforme
mostrado no caso do corante azul brilhante. Sendo assim, devido à sua maior eficiência,
utilizou-se o metal Fe
0
para todos os demais experimentos.
36
5.1.1.3.3. Degradação via sistema Fenton combinado
Este procedimento de degradação foi realizado utilizando Fe
0
e H
2
O
2
em meio ácido
(pH 3,0) sob agitação magnética. Sendo assim, temos um sistema ao mesmo tempo redutivo e
oxidativo, uma vez que podem ocorrer as seguintes reações:
Fe
0
+ R-N=N-R + 2H
+
→
Fe
2+
+ 2 R-NH
2
(etapa redutiva)
Fe
2+
+ H
2
O
2
→
Fe
3+
+ OH
-
+ HO
.
(sistema Fenton) (etapa oxidativa)
Na etapa redutiva são gerados íons Fe
2+
no meio reacional, que já contém H
2
O
2
. Na
etapa oxidativa, temos então o sistema Fenton, responsável pela geração de radicais HO
.
, que
podem oxidar as moléculas do corante/produtos de degradação presentes em solução. Os
resultados obtidos encontram-se descritos no item a seguir.
5.1.1.4. Comparação da eficiência dos processos: degradação e mineralização
Para uma melhor visualização dos resultados obtidos com os diferentes processos,
construiu-se um gráfico (Figura 5.7) reunindo as informações de quantidade de corante
degradada, obtidas por UV-Vis, e os dados das leituras de COT.
Figura 5.7. Porcentagem de degradação/mineralização do corante azul brilhante depois de
submetido a diferentes processos. Tempo de reação: 120 min. Massa de Fe
0
: 60 mg.
Percebe-se, através da análise da Figura 5.7, que o processo mais eficiente na
mineralização do corante azul brilhante é o Fenton combinado, alcançando uma taxa de
aproximadamente 64%. Ozonólise e Fe
0
+US apresentam taxas de mineralização em torno de
37
18 e 7%, respectivamente. O desvio padrão deste último processo é um pouco maior, o que se
justifica pela dificuldade de se manter as mesmas condições experimentais nas replicatas
realizadas. Todos os processos apresentam excelente eficiência na degradação da molécula do
corante azul brilhante: ozonólise-99,9%, Fenton combinado-99,1% e Fe
0
+US-93,9%.
Em um estudo de degradação oxidativa com enfoque semelhante, Gosetti e
colaboradores
68
investigaram a degradação do azul brilhante em condições oxidantes obtidas
pela adição de persulfato de potássio em diferentes razões molares persulfato/corante sob ação
da luz solar natural. A identificação de espécies orgânicas presentes na solução descolorida e
o valor de COD (demanda química de oxigênio) obtido nestas condições evidenciaram que a
completa descoloração do corante não correspondia à sua completa mineralização, resultados
que entram em concordância com os obtidos neste trabalho para os processos oxidativos
ozonólise e Fenton combinado. Num diferente estudo, a remoção do corante azul brilhante de
efluentes por meio de adsorção em materiais alternativos (penas de pássaros) foi investigada
por Alok Mittal
69
. Foram encontradas taxas de adsorção entre 70 e 100%, na faixa de
concentração de 1,0 x 10
-5
a 2,0 x 10
-4
mol L
-1
. Estes dados permitem inferir que os processos
de degradação empregados neste trabalho podem alcançar taxas de remoção da molécula do
corante azul brilhante semelhantes àquelas alcançadas com processos de adsorção.
Os resultados obtidos indicam, portanto, que a molécula do corante azul brilhante está
sendo degradada em todos os processos, porém outras espécies orgânicas estão sendo
formadas como produtos de degradação, principalmente nos procedimentos ozonólise e
Fe
0
+US, devido às baixas taxas de mineralização obtidas com os mesmos.
Para investigar os possíveis produtos de degradação formados, foi utilizada a técnica
ESI-MS.
5.1.2. Degradação do corante amaranto
5.1.2.1. Identificação do valor de λ
max
Utilizando-se uma solução aquosa de concentração 2,0 x 10
-5
mol L
-1
, foram realizadas
várias medidas no espectrofotômetro UV-Vis, obtendo-se o valor de 523 nm para o
comprimento de onda de máxima absorvância.
38
5.1.2.2. Curva de calibração
No comprimento de onda de 523 nm foram feitas medidas de absorvância para
soluções aquosas de diversas concentrações do corante, variando de 5,0 x 10
-6
mol L
-1
a 3,0 x
10
-5
mol L
-1
. Obteve-se a curva de calibração que é mostrada na Figura 5.8.
0,0
5,0x10
-6
1,0x10
-5
1,5x10
-5
2,0x10
-5
2,5x10
-5
3,0x10
-5
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
y = 22392x + 0,011
R
2
= 0,9998
Absorvância
Conc. (mol L
-1
)
Figura 5.8. Curva de calibração, em meio aquoso, para soluções do corante amaranto.
λ
max
=523 nm.
Uma excelente linearidade é observada na curva obtida (R
2
= 0,9998), mostrando que,
na faixa de concentrações estudada, a absorvância é diretamente proporcional à concentração
do corante.
5.1.2.3. Processos oxidativos e redutivos utilizados
5.1.2.3.1. Ozonólise
Soluções de concentração 2,0 x 10
-5
mol L
-1
do corante amaranto foram submetidas ao
fluxo de ozônio por tempos que variaram de 0 a 120 min. Os espectros UV-Vis das soluções
resultantes são mostrados em conjunto na Figura 5.9.
39
200 300 400 500 600 700
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
0 min.
10 min.
20 min.
30 min.
50 min.
70 min.
100 min.
120 min.
Absorvância
Comprimento de onda (nm)
Figura 5.9. Espectros UV-Vis de soluções do corante amaranto (2,0 x 10
-5
mol L
-1
), tratadas
com ozônio por tempos variados.
A Figura 5.10 mostra as soluções do corante amaranto após os diversos tempos de
exposição ao fluxo de ozônio.
Figura 5.10. Soluções do corante amaranto, respectivamente após: 0, 2, 5, 8, 10, 15 e 20
minutos de reação com O
3
.
Foram feitas análises de COT das soluções obtidas após os diferentes tempos de
exposição ao fluxo de ozônio, com o intuito de se monitorar a quantidade de matéria orgânica
degradada no processo. A concentração do corante em solução foi monitorada por UV-Vis,
utilizando-se o
λ
max
523 nm. A Figura 5.11 traz em conjunto os resultados dessas análises.
40
Figura 5.11. Concentração normalizada do corante amaranto (C/C
0
) em função do tempo de
reação, monitorada por UV-Vis (
λ
max
= 523 nm), e quantidade de carbono orgânico total
(COT/COT
0
). Degradação via ozonólise em meio aquoso. C
0
=2,0 x 10
-5
mol L
-1
e COT
0
=3,0
mg L
-1
.
Analisando o gráfico da Figura 5.11 percebe-se que, com apenas 20 minutos de
reação, praticamente todo o corante foi removido da solução, o que é confirmado observando-
se os espectros UV-Vis da Figura 5.9 e as fotos das soluções na Figura 5.10. Após 120
minutos de reação a solução apresenta aproximadamente 18% da quantidade de COT inicial,
indicando uma ótima taxa de mineralização para este processo. Valor semelhante para este
parâmetro foi obtido por Zhang e colaboradores
70
, estudando a degradação deste mesmo
corante por meio de um sistema eletro-Fenton. Esse sistema promoveu a degradação total da
molécula nas condições estudadas e o carbono orgânico total presente na solução após
aplicação do processo foi 19,7% do valor inicial.
5.1.2.3.2. Fe
0
/radiação ultrassônica e Fenton combinado
Os procedimentos de degradação Fe
0
/radiação ultrassônica e Fenton combinado foram
executados como no caso do corante azul brilhante. Os resultados encontram-se a seguir.
5.1.2.4. Comparação da eficiência dos processos: degradação e mineralização
Para uma melhor visualização dos resultados obtidos com os diferentes processos,
construiu-se um gráfico (Figura 5.12) reunindo as informações de quantidade de corante
degradada, obtidas por UV-Vis, e os dados das leituras de COT.
41
Figura 5.12. Porcentagem de degradação/mineralização do corante amaranto depois de
submetido a diferentes processos. Tempo de reação: 120 min. Massa de Fe
0
: 60 mg.
Uma análise da Figura 5.12 nos permite concluir que o processo mais eficiente na
mineralização do corante amaranto é a ozonólise, alcançando uma taxa de aproximadamente
82%. Fe
0
+US e Fenton combinado apresentam taxas de mineralização em torno de 8 e 65%,
respectivamente, porém com desvios padrão um pouco elevados, o que se justifica pela
dificuldade em se manter as mesmas condições experimentais nas replicatas realizadas. Todos
os processos apresentam excelente eficiência na degradação da molécula do corante amaranto:
ozonólise-99,0%, Fenton combinado-93,5% e Fe
0
+US-91,6%.
Camargo e Corso
71
testaram a capacidade de adsorção do corante amaranto pelas
leveduras do gênero
Candida
em meios aquosos, em diferentes condições de pH (1,5 a 6,5),
por 150 minutos de interação, a 30ºC. Os resultados mostraram que as leveduras
C.
catenulata
e
C.
kefyr
, apresentaram maior afinidade com o corante, removendo acima de 90% do meio.
Todos os processos empregados neste trabalho para o corante amaranto apresentaram,
portanto, taxas de remoção semelhantes àquelas encontradas no trabalho de remoção por
adsorção citado.
Além da aplicação da técnica ESI-MS para investigação dos possíveis produtos de
degradação formados em todos os processos empregados, utilizou-se a técnica GC-MS no
caso específico da ozonólise deste corante.
42
5.1.3. Degradação do corante amarelo crepúsculo
5.1.3.1. Identificação do valor de λ
max
Utilizando-se uma solução aquosa de concentração 2,0 x 10
-5
mol L
-1
, foram realizadas
várias medidas no espectrofotômetro UV-Vis, obtendo-se o valor de 480 nm para o
comprimento de onda de máxima absorvância.
5.1.3.2. Curva de calibração
No comprimento de onda de 480 nm foram feitas medidas de absorvância para
soluções aquosas de diversas concentrações do corante, variando de 1,0 x 10
-5
mol L
-1
a 6,5 x
10
-5
mol L
-1
. Obteve-se a curva de calibração que é mostrada na Figura 5.13.
0,0
1,0x10
-5
2,0x10
-5
3,0x10
-5
4,0x10
-5
5,0x10
-5
6,0x10
-5
7,0x10
-5
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
y = 19759x + 0,0081
R
2
= 0,9992
Absorvância
Conc. (mol L
-1
)
Figura 5.13. Curva de calibração, em meio aquoso, para soluções do corante amarelo
crepúsculo.
λ
max
= 480 nm.
Uma excelente linearidade é observada na curva obtida (R
2
= 0,9992), mostrando que,
na faixa de concentrações estudada, a absorvância é diretamente proporcional à concentração
do corante.
5.1.3.3. Processos oxidativos e redutivos utilizados
5.1.3.3.1. Ozonólise
43
Soluções de concentração 2,0 x 10
-5
mol L
-1
do corante amarelo crepúsculo foram
submetidas ao fluxo de ozônio por tempos que variaram de 0 a 120 min. Os espectros UV-Vis
das soluções resultantes são mostrados em conjunto na Figura 5.14.
200 300 400 500 600 700
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 min.
10 min.
30 min.
50 min.
70 min.
100 min.
120 min.
Absorvância
Comprimento de onda (nm)
Figura 5.14. Espectros UV-Vis de soluções do corante amarelo crepúsculo (2,0 x 10
-5
mol L
-
1
), tratadas com ozônio por tempos variados.
A Figura 5.15 mostra as soluções do corante amarelo crepúsculo, após os diversos
tempos de exposição ao fluxo de ozônio.
Figura 5.15. Soluções do corante amarelo crepúsculo, respectivamente após: 0, 2, 5, 8, 10, 15
e 20 minutos de reação com O
3
.
Foram feitas análises por COT das soluções obtidas após os diferentes tempos de
exposição ao fluxo de ozônio, com o intuito de monitorar a quantidade de matéria orgânica
degradada no processo. A concentração do corante em solução foi monitorada por UV-Vis,
44
utilizando-se o
λ
max
480 nm. A Figura 5.16 traz em conjunto os resultados das análises de
COT e UV-Vis.
Figura 5.16. Concentração normalizada do corante amarelo crepúsculo (C/C
0
) em função do
tempo de reação, monitorada por UV-Vis, e quantidade de Carbono Orgânico Total
(COT/COT
0
). Degradação via ozonólise em meio aquoso. C
0
=2,0 x 10
-5
mol L
-1
e COT
0
=3,4
mg L
-1
.
Uma análise da Figura 5.16 permite concluir que com apenas 20 minutos de reação
praticamente todo o corante foi removido da solução, o que é confirmado observando-se os
espectros UV-Vis da Figura 5.14 e as fotos das soluções na Figura 5.15. Após 120 minutos de
reação a solução apresenta aproximadamente 20% da quantidade de COT inicial, indicando
uma boa taxa de mineralização para este processo.
5.1.3.3.2. Fe
0
/radiação ultrassônica e Fenton combinado
Os procedimentos de degradação Fe
0
/radiação ultrassônica e Fenton combinado foram
executados como no caso do corante azul brilhante. Os resultados encontram-se a seguir.
5.1.3.4. Comparação da eficiência dos processos: degradação e mineralização
Para uma melhor visualização dos resultados obtidos com os diferentes processos,
construiu-se um gráfico (Figura 5.17) reunindo as informações de quantidade de corante
degradada, obtidas por UV-Vis, e os dados das leituras de COT.
45
Figura 5.17(a). Porcentagem de degradação/mineralização do corante amarelo crepúsculo
depois de submetido a diferentes processos. Tempo de reação: 120 min. Massa de Fe
0
: 60 mg.
Uma análise da Figura 5.17(a) nos permite concluir que o processo mais eficiente na
mineralização do corante amarelo crepúsculo é a ozonólise, alcançando uma taxa de
aproximadamente 80%. Fe
0
+US e Fenton combinado apresentam taxas de mineralização em
torno de 28 e 40%, respectivamente, porém com altos desvios padrão, o que pode ser devido à
dificuldade em se manter as mesmas condições experimentais nas replicatas realizadas. Todos
os processos apresentam excelente eficiência na degradação da molécula do corante amaranto:
ozonólise-98,9%, Fenton combinado-93,4% e Fe
0
+US-99,5%.
Evidências experimentais mostram que bebidas contendo o corante amarelo
crepúsculo, quando expostas a condições naturais de temperatura e luz solar, perdem a cor.
Para identificar mecanismos de degradação e coletar informações a respeito do potencial
toxicológico das espécies incolores formadas, Gosetti e colaboradores
72
simularam em
laboratório condições de degradação oxidativas e redutivas. Processos de descoloração foram
observados em condições oxidativas aplicando reação de Fenton, mas esta reação foi muito
rápida para ser estudada de forma progressiva. Por outro lado, foi possível estudar a reação de
degradação sob condições redutivas na presença de ascórbico. Os resultados por HPLC-MS
deram evidências da clivagem da dupla ligação e protonação dos grupos azo. A perda de
coloração foi obtida, portanto, não devido ao processo de mineralização, mas à formação da
forma dimérica do 5-amino-6-hidroxi-2-naftaleno sulfonato e, também, do
p
-amino-
benzenosulfonato, conforme mostrado na Figura 17(b). Tais resultados guardam semelhança
com os obtidos nesta dissertação.
46
N
N
HO
SO
3
Na
NaO
3
S
NH
2
H
2
N
HO
SO
3
Na
NaO
3
S
p-amino-benzenossulfonato
5-amino-6-hidroxi-2-naftaleno sulfonato
+
O
O
HO
OH
HO
HO
H
+
NH
HN
HO
SO
3
Na
NaO
3
S
+
O
O
O
O
HO
HO
H
Figura 5.17(b). Produtos formados na degradação redutiva do corante amarelo crepúsculo, na
presença de ácido ascórbico (Gosseti et al.
72
).
Os resultados obtidos no presente trabalho indicam, portanto, que a molécula do
corante amarelo crepúsculo está sendo degradada em todos os processos. A ausência de
completa mineralização indica a formação de outras espécies orgânicas como produtos de
degradação, que foram investigados por meio da técnica ESI-MS.
47
5.1.4. Degradação do corante vermelho 40
5.1.4.1. Identificação do valor de λ
max
Utilizando-se uma solução aquosa de concentração 2,0 x 10
-5
mol L
-1
, foram realizadas
várias medidas no espectrofotômetro UV-Vis, obtendo-se o valor de 502 nm para o
comprimento de onda de máxima absorvância.
5.1.4.2. Curva de calibração
No comprimento de onda de 502 nm foram feitas medidas de absorvância para
soluções aquosas de diversas concentrações do corante, variando de 1,0 x 10
-5
mol L
-1
a 6,0 x
10
-5
mol L
-1
. Obteve-se a curva de calibração que é mostrada na Figura 5.18.
0,0
1,0x10
-5
2,0x10
-5
3,0x10
-5
4,0x10
-5
5,0x10
-5
6,0x10
-5
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
y = 21880x + 0,0082
R
2
= 0,9997
Absorvância
Conc. (mol L
-1
)
Figura 5.18. Curva de calibração, em meio aquoso, para soluções do corante vermelho 40.
λ
max
= 502 nm.
Uma excelente linearidade é observada na curva obtida (R
2
= 0,9997), mostrando que,
na faixa de concentrações estudada, a absorvância é diretamente proporcional à concentração
do corante.
5.1.4.3. Processos oxidativos e redutivos utilizados
5.1.4.3.1. Ozonólise
48
Soluções de concentração 2,0 x 10
-5
mol L
-1
do corante vermelho 40 foram submetidas
ao fluxo de ozônio por tempos que variaram de 0 a 120 min. Os espectros UV-Vis das
soluções resultantes são mostrados em conjunto na Figura 5.19.
200 300 400 500 600 700
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 min.
10 min.
20 min.
30 min.
50 min.
70 min.
100 min.
120 min.
Absorvância
Comprimento de onda (nm)
Figura 5.19. Espectros UV-Vis de soluções do corante vermelho 40 (2,0 x 10
-5
mol L
-1
),
tratadas com ozônio por tempos variados.
A Figura 5.20 mostra as soluções do corante vermelho 40, após os diversos tempos de
exposição ao fluxo de ozônio.
Figura 5.20. Soluções do corante vermelho 40, respectivamente após: 0, 2, 5, 8, 10 e 15
minutos de reação com O
3
.
Foram feitas análises por COT das soluções obtidas após os diferentes tempos de
exposição ao fluxo de ozônio, com o intuito de monitorar a quantidade de matéria orgânica
degradada no processo. A concentração do corante em solução foi monitorada por UV-Vis,
49
utilizando-se o
λ
max
502 nm. A Figura 5.21 traz em conjunto os resultados das análises de
COT e UV-Vis.
Figura 5.21. Concentração normalizada do corante vermelho 40 (C/C
0
) em função do tempo
de reação, monitorada por UV-Vis, e quantidade de Carbono Orgânico Total (COT/COT
0
).
Degradação via ozonólise em meio aquoso. C
0
=2,0 x 10
-5
mol L
-1
e COT
0
=4,1 mg L
-1
.
Analisando o gráfico da Figura 5.21 percebe-se que com apenas 20 minutos de reação
praticamente todo o corante foi removido da solução, o que é confirmado observando-se os
espectros UV-Vis da Figura 5.19 e as fotos das soluções na Figura 5.20. Após 120 minutos de
reação a solução apresenta aproximadamente 58,0% da quantidade de COT inicial, indicando
uma taxa de mineralização intermediária para este processo.
5.1.4.3.2. Fe
0
/radiação ultrassônica e Fenton combinado
Os procedimentos de degradação Fe
0
/radiação ultrassônica e Fenton combinado foram
executados como nos demais corantes. Os resultados encontram-se a seguir.
5.1.4.4. Comparação da eficiência dos processos: degradação e mineralização
Para uma melhor visualização dos resultados obtidos com os diferentes processos,
plotou-se um gráfico (Figura 5.22) reunindo as informações de quantidade de corante
degradada, obtidas por UV-Vis, e os dados das medidas de carbono orgânico total.
50
Figura 5.22. Porcentagem de degradação/mineralização do corante vermelho 40 depois de
submetido a diferentes processos. Tempo de reação: 120 min. Massa de Fe
0
: 60 mg.
Percebe-se, analisando a Figura 5.22, que o processo mais eficiente na mineralização
do corante vermelho 40 é o Fenton combinado, alcançando uma taxa de aproximadamente
68%. Ozonólise e Fe
0
+US apresentam taxas de mineralização em torno de 42 e 8%,
respectivamente. Todos os processos apresentam excelente eficiência na degradação da
molécula deste corante: ozonólise-100,0%, Fenton combinado-96,5% e Fe
0
+US-99,9%.
Nam e Tratnyek
30
estudaram a redução de nove azo corantes (entre eles, vermelho 40
e amarelo crepúsculo) por ferro metálico (Fe
0
) apenas (sem a presença de radiação
ultrassônica) em solução aquosa. Todos os nove corantes testados foram rapidamente
descoloridos pelo Fe
0
. A descoloração ocorreu devido à redução do grupo azo, que resultou na
formação de aminas aromáticas como produtos de degradação (dados obtidos por HPLC).
Concluíram ainda que, com relação ao potencial da aplicação de Fe
0
no tratamento de
efluentes de indústrias alimentícias, as implicações deste estudo são mistas: embora a
descoloração dos azo corantes seja bem rápida, os produtos formados são aminas aromáticas,
que podem ser do interesse de regulamentação e requerem um tratamento adicional, devido ao
grau de toxicidade.
Para investigar os possíveis produtos de degradação formados nos processos
empregados para a degradação do vermelho 40 no presente trabalho, foi utilizada a técnica
ESI-MS.
51
5.1.5. Resumo dos resultados obtidos por UV-Vis e COT
A Tabela 5.3 reúne os resultados obtidos através das técnicas UV-Vis (monitoramento
da degradação) e COT (monitoramento da mineralização) para os quatro corantes, submetidos
aos diferentes processos.
Tabela 5.3. Percentuais de degradação e mineralização obtidos com os diferentes processos,
para todos os corantes. Tempo de reação: 120 min.
Ozonólise Fe
0
(60mg.) US Fenton combinado
Corante
Degrad. Miner. Degrad. Miner. Degrad. Miner.
Azul brilhante 99,9% 17,7% 93,9% 6,6% 99,1% 63,8%
Amaranto 99,0% 82,5% 91,6% 7,7% 93,5% 65,2%
Amarelo crepúsculo 98,9% 80,3% 99,5% 28,3% 93,4% 39,4%
Vermelho 40 100,0% 42,8% 99,9% 7,8% 96,5% 68,2%
Analisando a tabela acima, observa-se que todos os processos empregados foram
eficientes na degradação dos quatro corantes, apresentando taxas próximas de 100%. As
maiores taxas de mineralização foram alcançadas com os processos oxidativos ozonólise e
Fenton combinado. O processo Fe
0
+ US não apresentou grandes taxas de mineralização, o
que pode ser explicado pelo fato de ser um processo essencialmente redutivo.
5.2. Espectros ESI-MS
A técnica ESI-MS foi utilizada com o objetivo de se detectar possíveis produtos
formados após a submissão dos corantes aos diversos processos de degradação utilizados. A
detecção de tais produtos é de extrema importância para um melhor entendimento dos
mecanismos de degradação envolvidos em cada processo. Os resultados obtidos encontram-se
descritos a seguir, organizados por corante e tipo de processo utilizado.
5.2.1. Corante azul brilhante
5.2.1.1. Ozonólise
O ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante azul brilhante revelou a presença
predominante do ânion
1
(forma aniônica do azul brilhante), de
m/z
373, conforme mostrado
na Figura 5.23.
52
100 200 300 400 500 600 700
0
20
40
60
80
100
[1]
Abundância Relativa (%)
m/z
373
[1 + H]
-
747
[1+Na]
-
769
89
157
255
281
Figura 5.23. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante azul brilhante (2,0 x 10
-5
mol L
-1
),
onde observa-se a presença predominante do ânion
1
(
m/z
373).
Além da presença predominante do ânion
1
, observa-se também no espectro a
presença, em menor intensidade, dos íons de
m/z
747 e
m/z
769, cujas estruturas estão
representadas no Esquema 1.
Esquema 1. Estruturas dos íons de
m/z
747 e
m/z
769, presentes no espectro da solução aquosa
do corante azul brilhante.
A seleção por massas e posterior fragmentação do ânion
1
(
m/z
373) gerou o íon de
m/z
333, conforme mostrado na Figura 5.24.
O
3
S
N SO
3
N
SO
3
53
100 150 200 250 300 350 400
0
20
40
60
80
100
Abundância Relativa (%)
m/z
333
373
CID
373
Figura 5.24. ESI(-)-MS/MS para o ânion
1
de
m/z
373.
No Esquema 2 encontra-se a proposta de fragmentação via CID para o ânion
1
, de
acordo com o espectro obtido.
Esquema 2. Fragmentação via CID sugerida para o ânion 1.
Foram obtidos espectros ESI-MS após os diversos tempos de exposição ao fluxo de
ozônio. A Figura 5.25 mostra quatro deles.
54
100 200 300 400 500 600 700
0
20
40
60
80
100
281
255
157
Abundância Relativa (%)
m/z
89
373
(a)
200 400 600
0
20
40
60
80
100
Abundância Relativa (%)
m/z
89
157
255
281
(b)
100 200 300 400 500 600 700
0
20
40
60
80
100
Abundância Relativa (%)
m/z
97
157
255
281
(c)
200 400 600
0
20
40
60
80
100
97
Abundância Relativa (%)
m/z
157
255
281
(d)
Figura 5.25. Espectros ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante azul brilhante (2,0 x 10
-
5
mol L
-1
) após submetida à ozonólise por: (a) 10; (b) 20; (c) 30 e (d) 120 minutos.
Figura 5.25 (a): É possível notar claramente neste espectro a diminuição da
intensidade relativa do ânion de
m/z
373, bem como o desaparecimento dos íons de
m/z
747 e
769, e o concomitante aumento nas intensidades relativas dos íons de
m/
z 89, 157, 255 e 281.
Isso não significa o surgimento desses íons, uma vez que eles já estavam presentes no
espectro do padrão, provavelmente devido a impurezas presentes no meio reacional. O
aumento de suas intensidades relativas e o aparecimento dos demais picos deve-se à drástica
diminuição da intensidade relativa do ânion de
m/z
373.
Figura 5.25 (b): Neste espectro percebe-se que o ânion de
m/z
373 desaparece
completamente, já com 20 minutos de reação, o que é condizente com os resultados obtidos
pelas análises de UV-Vis, pois neste tempo já não se observa cor na solução e a absorvância é
praticamente zero no comprimento de onda utilizado (629 nm). O surgimento dos demais
55
picos deve-se à drástica diminuição da intensidade relativa do ânion de
m/z
373, que chega ao
nível de ruído do aparelho.
Figura 5.25 (c): Com 30 minutos de reação, além do desaparecimento completo do
ânion de
m/z
373, observa-se o surgimento do íon de
m/z
97, correspondente ao ânion HSO
4
-
.
Como esse íon não se encontra no espectro da solução padrão, o mesmo pode ser considerado
como um produto de degradação, que surge devido ao ataque de radicais hidroxila a(os)
grupo(s) sulfônico(s) (SO
3
) da molécula. O íon de
m/z
89 muito provavelmente desaparece do
espectro por ter sua intensidade suprimida pela do íon de
m/z
97. Com relação aos demais
picos, alguns já estavam presentes no espectro do padrão e outros surgem devido à drástica
diminuição da intensidade relativa do ânion de
m/z
373, que chega ao nível de ruído do
aparelho.
Um mecanismo para o surgimento do íon de
m/z
97 a partir da ozonólise do corante
azul brilhante é proposto no Esquema 3. Radicais livres hidroxila (HO
.
) são gerados no meio
reacional a partir do ozônio. Esses radicais podem atacar a molécula nos grupos sulfônicos
(SO
3
), induzindo uma quebra homolítica e gerando ânions HSO
4
-
de
m/z
97. O processo vai se
estendendo até a total destruição dos grupos sulfônicos da molécula. O primeiro ataque, ao
ânion
1
,
gera o íon
1b
(
m/z
666) - não detectado, provavelmente devido à alta instabilidade no
meio reacional - e o ânion
2
(HSO
4
-
) de
m/z
97. Num segundo momento, o íon
1b
sofre
também um ataque do radical hidroxila, gerando mais um ânion HSO
4
-
e o intermediário
1c
,
que possui carga nula e por isso não aparece no espectro de massas. Finalmente, após a
remoção de mais um grupo SO
3
do intermediário
1c
, é gerado mais um ânion HSO
4
-
e o íon
1d
, de carga +1. Por ter carga positiva, este último não aparece no ESI(-)-MS obtido. Os
experimentos realizados no modo positivo não permitiram a detecção de produtos e
apresentaram qualidade inferior, comparando-se com os do modo negativo.
56
Esquema 3. Proposta de degradação do corante do azul brilhante via ozonólise.
57
5.25 (d): Com 120 minutos de reação observa-se um aumento na intensidade relativa
do íon de
m/z
97, além do desaparecimento total dos íons de
m/z
373, 747 e 769
correspondentes ao azul brilhante, fato este que já havia sido observado com 20 minutos de
reação.
Os espectros obtidos com 50, 70 e 100 minutos de reação são semelhantes,
apresentando também aumento gradativo na intensidade do íon de
m/z
97. Essa tendência é
mostrada no gráfico abaixo, que traz as intensidades absolutas dos íons de
m/z
97, 373, 747 e
769 ao longo da reação.
Figura 5.26. Intensidades absolutas dos íons de
m/z
97, 373, 747 e 769 ao longo da ozonólise
do corante azul brilhante. Cada ponto representa uma média de dois ensaios.
5.2.1.2. Degradação com ferro zero/radiação ultrassônica
O ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante azul brilhante mostrou a presença
predominante do ânion
3
, de
m/z
747, conforme mostrado na Figura 5.27. Em menor
intensidade aparecem os ânions de
m/z
373 [
3 -
H]
2-
e
m/z
769 [
3 -
H + Na]
-
. A predominância
de uma espécie protonada nesse espectro, em comparação com o espectro do padrão na
ozonólise (obtido em meio neutro), deve-se à acidificação do meio com H
2
SO
4
1:1.
58
100 200 300 400 500 600 700
0
20
40
60
80
100
[3-H+Na]
2-
Intensidade Relativa (%)
m/z
747
769
373
[3 - H]
2-
Figura 5.27. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante azul brilhante (2,0 x 10
-5
mol L
-1
),
onde observa-se a presença predominante do ânion de
m/z
747.
A seleção por massas e posterior fragmentação por CID do ânion
3
(
m/z
747) gerou os
íons
3a
e
3b
, de
m/z
667 e 587, respectivamente. Isolando e fragmentado por CID o íon
3a
,
obtido através da fragmentação do ânion
3
, obteve-se os íons
3c
(
m/z
639) e novamente o íon
3b
(
m/z
587). Estes resultados são mostrados nas Figuras 5.28 e 5.29.
300 400 500 600 700
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
[
3a
]
667
[3]
747
[3b]
587
CID
747
Figura 5.28. ESI(-)-MS/MS para o ânion
3
de
m/z
747.
O
3
S
N SO
3
H
N
SO
3
[
3
]
59
250 300 350 400 450 500 550 600 650
0
20
40
60
80
100
CID
667
Intensidade Relativa (%)
m/z
[3b]
587
[3a]
667
[3c]
639
CID
747
Figura 5.29. ESI(-)-MS/MS/MS para o íon
3a
(
m/z
667).
O Esquema 4 traz as propostas de fragmentação por CID para os íons
3
e
3a
, de
acordo com os espectros obtidos.
C
I
D
CID
Esquema 4. Proposta de fragmentação via CID para os íons
3
e
3a
.
60
Após 30 minutos de reação, uma alíquota foi coletada e injetada no ESI-MS. Obteve-
se o espectro mostrado na Figura 5.30.
300 400 500 600 700
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
[5]
375
[4]
749
[3]
747
[7]
347
[6]
361
Figura 5.30. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante azul brilhante, após tratamento
com Fe
0
e radiação ultrassônica por 30 minutos.
O Esquema 5 traz uma proposta de mecanismo de degradação através deste processo
redutivo, com base no espectro ESI-MS obtido (Figura 5.30), que revela os possíveis locais
onde a molécula sofreu redução. Os íons
4
(
m/z
749) e
5
(
m/z
375) possivelmente indicam a
redução da molécula do corante através da incorporação de dois ou três hidrogênios,
respectivamente. A reação de incorporação de mais um hidrogênio ao íon de
m/z
749
(totalizando três) pode ser explicada pela possível formação de espécies H
-
na superfície do
metal, capazes de atacar a dupla ligação do nitrogênio com o anel aromático. A carga líquida
da molécula que antes era -1 passa a ser -2, e sua massa molecular aumenta de 749 para 750
Da, apresentando portanto nova relação
m/
z de 375. A redução nestes sítios destrói o grupo
cromóforo presente na molécula do corante azul brilhante, levando à descoloração da solução.
O espectro obtido apresenta também os íons
6
(
m/z
361) e
7
(
m/z
347), indicando duas
sucessivas perdas de etileno (CH
2
=CH
2
).
61
HO
3
S
N SO
3
N
SO
3
3
(m/z 747)
HO
3
S
N
SO
3
N
SO
3
Fe
0
+ 2H
+
4
(m/z 749)
HO
3
S
N SO
3
N
SO
3
5
(m/z 375)
HO
3
S
N
SO
3
HN
SO
3
6
(m/z 361)
HO
3
S
HN SO
3
HN
SO
3
7
(m/z 347)
H
2
C
H
2
C
Fe
0
+ H
+
Fe
2+
+ H
-
+ Fe
2+
(na superfície do metal)
H
H
2
C CH
2
Esquema 5. Proposta de degradação do corante do azul brilhante via tratamento com
Fe
0
/radiação ultrassônica.
62
5.2.1.3. Degradação via sistema Fenton combinado
O ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante azul brilhante mostrou novamente a
presença predominante do ânion de
m/z
747, conforme mostrado na Figura 5.31. Em menor
intensidade aparecem novamente os ânions de
m/z
373 e 769, como no espectro do padrão
para a reação com Fe
0
/radiação ultrassônica (Figura 5.27).
100 200 300 400 500 600 700
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa
m/z
373
747
769
Figura 5.31. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante azul brilhante, onde observa-se a
presença predominante do ânion de
m/z
747.
Alíquotas reacionais foram coletadas nos tempos 0, 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 60 e 120
minutos de reação. Entretanto, não foi possível detectar nenhum produto de degradação via
ESI-MS.
5.2.2. Corante amaranto
Os mesmos estudos realizados com o corante azul brilhante (classe trifenilmetano)
foram feitos com os corantes da classe azo (amaranto, amarelo crepúsculo e vermelho 40). A
seguir encontram-se os resultados obtidos para o corante amaranto.
63
5.2.2.1. Ozonólise
O ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante amaranto revelou a presença
predominante do ânion
8
(forma aniônica do amaranto), de
m/z
178, conforme mostrado na
Figura 5.32.
100 200 300 400 500
0
20
40
60
80
100
[8]
[8+2Na]
-
279
559
581
Intensidade Relativa (%)
m/z
178
[8 + H]
2-
268
255
143
283
[8 + Na]
2-
[8+Na+H]
-
Figura 5.32. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante amaranto (2,0 x 10
-5
mol L
-1
), onde
observa-se a presença predominante do ânion
8
(
m/z
178).
Além da presença predominante do ânion
8
, observa-se também no espectro a
presença, em menor intensidade, dos íons de
m/z
268,
m/z
279,
m/z
559 e
m/z
581, cujas
estruturas estão representadas no Esquema 6. Os íons de
m/z
143, 255 e 283 estão presentes
como contaminantes no espectro.
O
3
S N
N
HO
SO
3
SO
3
64
Esquema 6. Estruturas dos íons de
m/z
268,
m/z
279,
m/z
559 e
m/z
581, presentes no espectro
da solução aquosa do corante amaranto.
A seleção por massas e posterior fragmentação do ânion [
8
+ H]
2-
(
m/z
268) gerou o
íon de
m/z
228, conforme mostrado na Figura 5.33.
100 150 200 250 300 350
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
268
228
CID
268
[8 + H]
2-
Figura 5.33. ESI(-)-MS/MS para o ânion [
8
+
H]
2-
de
m/z
268.
65
O esquema 7 traz a proposta de fragmentação para o ânion [
8
+ H]
2-
, de acordo com o
espectro obtido.
Esquema 7. Fragmentação via CID sugerida para o ânion [
8
+ H]
2-
.
Foram obtidos espectros ESI-MS após os diversos tempos de exposição ao fluxo de
ozônio. A Figura 5.34 traz quatro deles.
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
600
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
143
178
268
255
283
279
559
227
(a)
100 200 300 400 500
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
143
178
255
283
279
268
97
227
(b)
100 200 300 400 500
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
97
143
255
283
227
(c)
100 200 300 400 500 600
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
97
143
255
283
227
(d)
Figura 5.34. Espectros ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante amaranto (2,0 x 10
-5
mol
L
-1
) após submetida à ozonólise por: (a) 10; (b) 20; (c) 70 e (d) 120 minutos.
66
Figura 5.34 (a): O ânion
8
(
m/z
178) continua sendo o mais intenso do espectro após
10 minutos de reação. Entretanto, uma análise mais detalhada revela que sua intensidade
absoluta cai de 1,07 x 10
3
(no espectro do padrão) para 2,61 x 10
2
, ou seja, aproximadamente
4 vezes. Além disso, nota-se o desaparecimento total do íon de
m/z
581, e o início do
surgimento do íon de
m/z
227.
Figura 5.34 (b): É possível notar claramente neste espectro a diminuição das
intensidades relativas dos íons de
m/z
178 e 268, bem como o desaparecimento dos íons de
m/z
559 e 581, e o concomitante aumento nas intensidades relativas dos íons de
m/
z 143, 255
e 283. Isso não significa o surgimento destes íons, uma vez que eles já estavam presentes no
espectro do padrão, provavelmente devido a impurezas presentes no meio reacional. O
aumento de suas intensidades relativas se deve à diminuição da intensidade relativa dos íons
associados ao corante amaranto. Observa-se também o surgimento do íon de
m/z
97, e o
aumento de intensidade relativa do íon de
m/z
227.
Figura 5.34 (c): Neste espectro, percebe-se o desaparecimento total dos íons de
m/
z
178, 268, 279, 559 e 581, todos associados ao corante amaranto. Estes dados são condizentes
com os resultados obtidos pelas análises de UV-Vis, pois após este período reacional (70 min)
já não se observa cor na solução e a absorvância é praticamente zero no comprimento de onda
utilizado (523 nm).
Paralelamente, ocorre um aumento considerável na intensidade relativa do íon de
m/z
97, correspondente ao ânion HSO
4
-
, e uma estabilização na intensidade relativa do íon de
m/z
227. Como esses íons não se encontram no espectro da solução padrão, os mesmos podem ser
considerados como produtos de degradação, que surgem provavelmente devido ao ataque por
radicais hidroxila, espécies altamente reativas geradas
in situ
nestas condições. Este processo
gera a desulfonilação das moléculas do corante e/ou seus produtos.
Como no caso do corante azul brilhante, um mecanismo para o surgimento do íon de
m/z
97 (e também neste caso do íon de
m/z
227) a partir da ozonólise do corante amaranto é
proposto no Esquema 8. Radicais livres hidroxila (HO
.
) são gerados no meio reacional a partir
do ozônio. Estes radicais podem atacar a molécula do corante amaranto nos grupos sulfônicos
(SO
3
), induzindo uma quebra homolítica e gerando ânions HSO
4
-
de
m/z
97. O processo vai se
estendendo até a total destruição dos grupos sulfônicos da molécula. O primeiro ataque, ao
ânion
8
,
gera o íon
8b
(
m/z
227), que pode ser observado no espectro, e o ânion
9
(HSO
4
-
) de
m/z
97. Num segundo momento, o íon
8b
pode também sofrer um ataque do radical hidroxila,
67
gerando mais um ânion HSO
4
-
e o íon
8c
(
m/z
374), não detectado via ESI(-)-MS. Após a
remoção de mais um grupo SO
3
do intermediário
8c
, é gerado mais um ânion HSO
4
-
e o íon
8d
, que não aparece no espectro por ter carga nula. O ataque de uma molécula de ozônio
sobre a ligação N=N do intermediário
8d
pode levar à formação do intermediário ozonídeo
8e
. Este intermediário, devido à sua alta instabilidade, decompõe-se rapidamente para gerar os
produtos
8f
e
8g
. Estes últimos podem ter seus sítios radicalares facilmente oxidados e
posteriormente hidroxilados nestas condições, gerando os produtos
8h
e
8i
(esquema 8a). O
rompimento da ligação N=N pelo ataque da molécula de ozônio, evento que também pode
ocorrer sobre o ânion
8
, interrompe a conjugação dos elétrons
π
pelo sistema, o que permite
explicar a rápida perda da coloração inicial da solução.
Esquema 8. Proposta de degradação do corante do amaranto via ozonólise.
68
Figura 5.34 (d): Após 120 minutos de reação observa-se uma estabilização nas
intensidades relativas dos íons de
m/z
97 e 227, além do desaparecimento total dos íons de
m/z
178, 268, 279, 559 e 581 relacionados ao corante amaranto, conforme já havia sido
observado.
Os espectros obtidos com 30, 50 e 100 minutos de reação são semelhantes,
apresentando também um pequeno aumento gradativo nas intensidades dos íons de
m/z
97 e
227. Essa tendência é mostrada no gráfico abaixo, que traz as intensidades absolutas dos íons
de
m/z
97, 227, 178, 268, 279, 559 e 581 ao longo da reação.
Figura 5.35. Intensidades absolutas dos íons de
m/z
97, 227, 178, 268, 279, 559 e 581 ao
longo da ozonólise do corante amaranto. Cada ponto representa uma média de dois ensaios.
Para um melhor entendimento do mecanismo de degradação do corante amaranto via
ozonólise, foram feitas novas análises utilizando GC-MS, coletando alíquotas do meio
reacional nos tempos 0, 70 e 150 minutos. Os resultados são mostrados posteriormente nesta
dissertação.
5.2.2.2. Degradação com ferro zero/radiação ultrassônica
O ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante amaranto mostrou a presença
predominante do ânion
9
, de
m/z
537, conforme mostrado na Figura 5.36. Os ânions de
m/z
409 e 437 são contaminantes.
69
100 200 300 400 500 600
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
537
409
437
[
9
]
Figura 5.36. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante amaranto (2,0 x 10
-5
mol L
-1
), onde
observa-se a presença predominante do ânion
9
(
m/z
537).
A seleção por massas e posterior fragmentação por CID do ânion
9
(
m/z
537) gerou os
íons
9a
(
m/z
519),
9b
(
m/z
473) e
9c
(
m/z
457)
,
indicados na Figura 5.37. Isolando e
fragmentado por CID os íons
9a
e
9c
, obtidos da fragmentação do ânion
9
, obteve-se
respectivamente os íons
9d
(
m/z
455) e
9e
(
m/z
439);
9f
(
m/z
439),
9g
(
m/z
393) e
9h
(
m/z
377). Estes resultados são mostrados nas Figuras 5.38 e 5.39.
200 250 300 350 400 450 500
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
537
519
473
457
9
9a
9b
9c
CID
537
Figura 5.37. ESI(-)-MS/MS para o ânion
9
de
m/z
537.
70
200 300 400 500 600
0
20
40
60
80
100
CID
519
Intensidade Relativa (%)
m/z
519
455
439
9a
9d
9e
CID
537
Figura 5.38. ESI(-)-MS/MS/MS para o íon
9a
de
m/z
519.
200 250 300 350 400 450
0
20
40
60
80
100
9g
Intensidade Relativa (%)
m/z
457
439
377
393
9b
9f
9h
CID
457
CID
537
Figura 5.39. ESI(-)-MS/MS/MS para o íon
9c
de
m/z
457.
Os Esquemas 9 e 10 trazem as propostas de fragmentação por CID, de acordo com os
espectros obtidos.
71
HO
3
S
N
N
HO
S
SO
3
O
O
O
H
HO
3
S
N
N
S
SO
3
O
OO
9
(m/z 537)
9a
(m/z 519)
-SO
3
-H
2
O
9c
(m/z 457)
-SO
2
HO
3
S
N
N
HO SO
3
H
9b
(m/z 473)
O
-SO
3
HO
3
S
N
N
HO SO
3
H
9h
(m/z 377)
HO
3
S
N
N
S
9f
(m/z 439)
-H
2
O
HO
3
S
N
N
HO S
O
OO
H
O
OO
-SO
2
HO
3
S
N
N
HO O
O
9g
(m/z 393)
Esquema 9. Proposta de fragmentação via CID para os íons 9 e 9c.
72
Esquema 10. Proposta de fragmentação via CID para o íon
9a.
Alíquotas reacionais foram coletadas e injetadas no ESI-MS após 10, 20, 30, 50, 80 e
120 minutos de reação. Para um melhor acompanhamento, a Figura 5.46 traz em conjunto os
espectros do padrão, 120 minutos de reação e do branco. Este último foi obtido submetendo
ao processo de degradação uma solução aquosa contendo Fe
0
e H
2
SO
4
nas mesmas
concentrações utilizadas na solução do corante.
73
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700
m/z
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
0
20
40
60
80
100
537
437
538
409
438
517
111 410
540489 657
368 474
219 611126 248 346
572186 692395316289
499
651
249
511
553
431
497
401
597
653
111 650
263 347169
537
437369
248
575317
489 689
289 403
183
153
499
651
249
553
501
498
401
597
650
653
431
248
169
111 347 521
263
555
599
400
496
446
673321271
183
696
153
Figura 5.40. ESI(-)-MS da reação do corante amaranto com Fe
0
/radiação ultrassônica, em três
momentos distintos: (a) solução padrão 2,0 x 10
-5
mol L
-1
; (b) alíquota injetada após 120
minutos de reação; (c) branco com 120 minutos de reação.
Os espectros obtidos mostram claramente a diminuição da intensidade relativa do pico
referente ao corante (
m/z
537). Observa-se o surgimento de novos picos que não estavam
presentes no padrão (a) no espectro b, por exemplo:
m/z
153, 169, 183, 249, 263, 347, 401,
431, 499, 553, 597, 651. Entretanto, todos estes picos encontram-se também no espectro do
branco (c) o que nos faz descartar a hipótese de serem referentes a produtos de degradação.
Estes sinais podem aparecer no espectro devido à reação entre Fe
0
e H
2
SO
4
adicionados ao
meio, gerando produtos de difícil identificação.
(a)
(b)
(c)
74
5.2.2.3. Degradação via sistema Fenton combinado
Neste processo, alíquotas reacionais foram coletadas e injetadas no ESI-MS após 1, 2,
3, 5, 10, 15, 20, 60 e 120 minutos de reação. Para um melhor acompanhamento, a Figura 5.41
traz em conjunto os espectros do padrão, 120 minutos de reação e do branco. Este último foi
obtido submetendo ao processo de degradação uma solução contendo Fe
0
, H
2
SO
4
e H
2
O
2
nas
mesmas concentrações utilizadas na solução do corante.
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700
m/z
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
0
20
40
60
80
100
537
538
437
657
111
540
679409
331
473217 581517 641
248 317 368284195
497
248
417
452
666
368
499
413 488
595
528
617
328 568
346
652
250
464369
668
246
111
288
689
168
321
219
497
248
417
452
666
511
368
595
528
488
413
328 568
346
652612
529
369
668487250
688
246
327111
294
622
168 208
153
Figura 5.41. ESI(-)-MS da reação do corante amaranto com Sistema Fenton combinado, em
três momentos distintos: (a) solução padrão 2,0 x 10
-5
mol L
-1
; (b) alíquota injetada após 120
minutos de reação; (c) branco com 120 minutos de reação.
Os espectros obtidos mostram claramente o desaparecimento do pico referente ao
corante (
m/z
537). Observa-se o surgimento de novos picos que não estavam presentes no
padrão (a) no espectro b, por exemplo:
m/z
248, 328, 346, 368, 413, 417, 452, 488, 497, 528,
568, 595, 666. Entretanto, todos estes picos encontram-se também no espectro do branco (c) o
que nos faz descartar a hipótese de serem referentes a produtos de degradação. Estes sinais
podem aparecer no espectro devido à reação entre Fe
0
, H
2
SO
4
e H
2
O
2
adicionados ao meio,
gerando produtos de difícil identificação.
(a)
(b)
(c)
75
5.2.3. Corante amarelo crepúsculo
5.2.3.1. Ozonólise
O ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante amarelo crepúsculo revelou a
presença predominante do ânion
10
(forma aniônica do amarelo crepúsculo), de
m/z
203,
conforme mostrado na Figura 5.42.
200 300 400 500 600
0
20
40
60
80
100
[10 + Na]
-
Intensidade Relativa (%)
m/z
203
407
429
143
255
283
157
171
[10 + H]
-
[10]
Figura 5.42. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante amarelo crepúsculo (2,0 x 10
-5
mol
L
-1
), onde observa-se a presença predominante do ânion
10
(
m/z
203).
Além do ânion
10,
observa-se também no espectro a presença, em menor intensidade,
dos íons de
m/z
407 e
m/z
429, cujas estruturas estão representadas no Esquema 11. Os íons
de
m/z
143, 157, 171, 255 e 283 estão presentes como contaminantes no espectro.
Esquema 11. Estruturas dos íons de
m/z
407 e
m/z
429, presentes no espectro da solução
aquosa do corante amarelo crepúsculo.
O
3
S N
N
HO
SO
3
76
A seleção por massas e posterior fragmentação do ânion
10
(
m/z
203) gerou o íon de
m/z
171, conforme mostrado na Figura 5.43.
120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
203
Intensidade Relativa (%)
m/z
171
CID
203
Figura 5.43. ESI(-)-MS/MS para o ânion
10
de
m/z
203.
O Esquema 12 traz a proposta de fragmentação para o ânion
10
, de acordo com o
espectro obtido.
Esquema 12. Fragmentação via CID sugerida para o ânion
10
.
Foram obtidos espectros ESI-MS após os diversos tempos de exposição ao fluxo de
ozônio. A seguir são apresentados aqueles obtidos após 20, 50 e 120 minutos de reação.
77
100 150 200 250 300 350 400
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
143
97
255
283
157
171
203
(a)
100 150 200 250 300 350 400
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
97
143
157
171
255
283
(b)
100 200 300 400
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
97
143
157
171
255
283
(c)
Figura 5.44. Espectros ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante amarelo crepúsculo (2,0
x 10
-5
mol L
-1
) após submetida à ozonólise por: (a) 20; (b) 50 e (c) 120 minutos.
Figura 5.44 (a): Percebe-se neste espectro a diminuição da intensidade relativa do
ânion de
m/z
203, bem como o desaparecimento dos íons de
m/z
407 e 429, e o concomitante
aumento nas intensidades relativas dos íons de
m/
z 143, 157, 171, 255 e 281. Isso não
significa o surgimento desses íons, uma vez que eles já estavam presentes no espectro do
padrão, devido a impurezas presentes no meio reacional. O aumento de suas intensidades
relativas se deve à diminuição da intensidade relativa do ânion de
m/z
203. Nota-se também o
início do surgimento do ânion de
m/z
97.
Figura 5.44 (b): Observa-se neste espectro o total desaparecimento do ânion de
m/z
203, resultado este condizente com a análise de UV-Vis, que revela após 50 minutos de
reação absorvância próxima de zero no comprimento de onda utilizado (480 nm). Pode-se
perceber também o aumento da intensidade relativa do ânion de
m/z
97.
Figura 5.44 (c): Este espectro é bastante semelhante ao obtido após 50 minutos de
reação. A diferença significativa é o aumento da intensidade relativa do ânion de
m/z
97.
78
O mecanismo para o surgimento do íon de
m/z
97 na ozonólise do corante amarelo
crepúsculo é semelhante àqueles já apresentados nos casos dos corantes azul brilhante e
amaranto, e encontra-se representado no Esquema 13.
Esquema 13. Proposta de degradação do corante do amarelo crepúsculo via ozonólise.
Os espectros obtidos com 10, 30, 70 e 100 minutos de reação são semelhantes,
apresentando um pequeno aumento gradativo na intensidade do íon de
m/z
97. Essa tendência
é mostrada no gráfico abaixo, que traz as intensidades absolutas dos íons de
m/z
97, 203, 407
e 429 ao longo da reação.
Figura 5.45. Intensidades absolutas dos íons de
m/z
97, 203, 407 e 429 ao longo da ozonólise
do corante amarelo crepúsculo. Cada ponto representa uma média de dois ensaios.
79
5.2.3.2. Degradação com ferro zero/radiação ultrassônica
O ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante amarelo crepúsculo mostrou a
presença predominante do ânion
11
, de
m/z
407, conforme mostrado na Figura 5.46. O ânion
de
m/
z 111 indica a presença de CH
3
SO
4
-
, gerado devido à presença de metanol (CH
3
OH)
como solvente e H
2
SO
4
como acidificante do meio. O ânion de
m/z
409 está presente como
contaminante no espectro.
150 200 250 300 350 400
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
407
409
111
[11]
Figura 5.46. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante amarelo crepúsculo (2,0 x 10
-5
mol
L
-1
), onde observa-se a presença predominante do ânion
11
(
m/z
407).
Alíquotas reacionais foram coletadas e injetadas no ESI-MS após 10, 20, 30, 50 80 e
120 minutos de reação. Para um melhor acompanhamento, a Figura 5.47 traz em conjunto os
espectros do padrão, 120 minutos de reação e do branco. Este último foi obtido submetendo
ao processo de degradação uma solução contendo Fe
0
e H
2
SO
4
nas mesmas concentrações
utilizadas na solução do corante.
O
3
S N
N
HO
SO
3
H
CH
3
SO
4
-
80
100 150 200 250 300 350 400 450 500
m/z
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
0
20
40
60
80
100
407
409 437
111
489
438
410
217
490
346337
283
203
368256171
474113 315
231 381156
347
249
361
499
111
263
477
401
346248 431
285
363
478449400
467
247 409271 329
169
299113
195
217
153
347
249
361
499
111
263
346
498
248
401
477
363
431
329
449
169
113
195
265 294
217 321246
153
Figura 5.47. ESI(-)-MS da reação do corante amarelo crepúsculo com Fe
0
/radiação
ultrassônica, em três momentos distintos: (a) solução padrão 2,0 x 10
-5
mol L
-1
; (b) alíquota
injetada após 120 minutos de reação; (c) branco com 120 minutos de reação.
Os espectros obtidos mostram claramente o desaparecimento do pico referente ao
corante (
m/z
407). Observa-se o surgimento de novos picos que não estavam presentes no
padrão (a) no espectro b, por exemplo:
m/z
153, 169, 249, 263, 347, 361, 401, 431, 449, 477,
499. Entretanto, todos estes picos encontram-se também no espectro do branco (c) o que nos
faz descartar a hipótese de serem referentes a produtos de degradação. Estes sinais podem
aparecer no espectro devido à reação entre Fe
0
e H
2
SO
4
adicionados ao meio, gerando
produtos de difícil identificação.
5.2.3.3. Degradação via sistema Fenton combinado
Neste processo, alíquotas reacionais foram coletadas e injetadas no ESI-MS após 1, 2,
3, 5, 10, 15, 20, 60 e 120 minutos de reação. Para um melhor acompanhamento, a Figura 5.48
traz em conjunto os espectros do padrão, 120 minutos de reação e do branco. Este último foi
obtido submetendo ao processo de degradação uma solução contendo Fe
0
, H
2
SO
4
e H
2
O
2
nas
mesmas concentrações utilizadas na solução do corante.
(a)
(b)
(c)
81
100 150 200 250 300 350 400 450
500
m/z
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
0
20
40
60
80
100
407
409111
346
248
437
368
283
489
438255207 410
331219171
390
113 315
158
248
497
346
492
368
417
431
111
408
452328
250
491
300
246208
407
168
113 152
248
497
346
492
368
417
431
408
452
111
328
491300
250
208 246
407
168
113 152
Figura 5.48. ESI(-)-MS da reação do corante amarelo crepúsculo com Sistema Fenton
combinado, em três momentos distintos: (a) solução padrão 2,0 x 10
-5
mol L
-1
; (b) alíquota
injetada após 120 minutos de reação; (c) branco com 120 minutos de reação.
Os espectros obtidos mostram claramente a diminuição da intensidade relativa do pico
referente ao corante (
m/z
407). Observa-se o surgimento de novos picos que não estavam
presentes no padrão (a) no espectro b, por exemplo:
m/z
248, 328, 346, 368, 417, 431, 452,
491, 492, 497. Entretanto, todos estes picos encontram-se também no espectro do branco (c) o
que nos faz descartar a hipótese de serem referentes a produtos de degradação. Estes sinais
podem aparecer no espectro devido à reação entre Fe
0
, H
2
SO
4
e H
2
O
2
adicionados ao meio,
gerando produtos de difícil identificação.
(a)
(b)
(c)
82
5.2.4. Corante vermelho 40
5.2.4.1. Ozonólise
O ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante vermelho 40 mostrou a presença
predominante do ânion
12
(forma aniônica do vermelho 40), de
m/z
225, conforme mostrado
na Figura 5.49.
100 200 300 400 500 600
0
20
40
60
80
100
[12+Na]
-
Intensidade Relativa (%)
m/z
225
451
473
255
283
219
[12]
[12+H]
-
Figura 5.49. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante vermelho 40 (2,0 x 10
-5
mol L
-1
),
onde observa-se a presença predominante do ânion
12
(
m/z
225).
Além da presença predominante do ânion
12
, observa-se também no espectro a
presença, em menor intensidade, dos íons de
m/z
451 e
m/z
473, cujas estruturas estão
representadas no Esquema 14. Os íons de
m/z
219, 255 e 283 estão presentes como
contaminantes no espectro.
Esquema 14. Estruturas dos íons de
m/z
451 e
m/z
473, presentes no espectro da solução
aquosa do corante vermelho 40.
H
3
C
O
3
S
OCH
3
N
N
SO
3
H
O
83
Foram obtidos espectros ESI-MS após os diversos tempos de exposição ao fluxo de
ozônio. A Figura 5.50 mostra três deles.
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
225
451
219
255
283
(a)
100 200 300 400 500
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
97
219
255
283
(b)
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
219
255
283
97
(c)
Figura 5.50. Espectros ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante vermelho 40 (2,0 x 10
-5
mol L
-1
) após submetida à ozonólise por: (a) 20; (b) 70 e (c) 120 minutos.
Figura 5.50 (a): Percebe-se neste espectro a diminuição das intensidades relativas dos
ânions de
m/z
225 e 451, bem como o desaparecimento do íon de
m/z
473, e o concomitante
aumento da intensidade relativa dos íons de
m/
z 219, 255 e 283. Isso não significa o
surgimento desses íons, uma vez que eles já estavam presentes no espectro do padrão, devido
a impurezas presentes no meio reacional. O aumento de suas intensidades relativas se deve à
diminuição da intensidade relativa do ânion de
m/z
203. Outros íons também apresentam
aumento de intensidade relativa, entretanto são considerados como impurezas presentes no
meio reacional.
84
Figura 5.50 (b): Observa-se neste espectro o total desaparecimento dos ânions de
m/z
225 e 451, resultado este condizente com a análise de UV-Vis, que revela após 70 minutos de
reação absorvância próxima de zero no comprimento de onda utilizado (502 nm). Nota-se
também o início do surgimento do ânion de
m/z
97.
Figura 5.50 (c): Este espectro é bastante semelhante ao obtido após 70 minutos de
reação. A diferença significativa é o aumento da intensidade relativa do ânion de
m/z
97.
O mecanismo proposto para o surgimento do ânion de
m/z
97 na ozonólise do corante
vermelho 40 é semelhante àqueles já apresentados nos casos dos corantes azul brilhante,
amaranto e amarelo crepúsculo, e encontra-se representado no Esquema 15.
85
12
(m/z 225)
H
3
C
O
3
S
N
N
S
O
O
O
OH
OCH
3
HO
12a
(m/z 370)
não identificado
H
3
C
O
3
S
N
N
OCH
3
HO
S
O
O
OHO
12b
(m/z 97)
+
-SO
3
H
3
C
N
N
OCH
3
HO
12c
(não detectado - carga 0
O
3
H
3
C
N
N
OCH
3
OH
O
O
O
-NO
2,
-O
2
H
3
C
OCH
3
OH
12d
(intermediário ozonídeo)
não detectado - carga 0
12e
12f
[O], H
2
O
H
3
C
OCH
3
OH
12g
12h
OH
HO
HO
HO
Não detectados - carga 0
Esquema 15. Proposta de degradação do corante do vermelho 40 via ozonólise.
Os espectros obtidos com 10, 30, 50 e 100 minutos de reação são semelhantes,
apresentando também um pequeno aumento gradativo na intensidade do íon de
m/z
97. Essa
tendência é mostrada no gráfico abaixo, que traz as intensidades absolutas dos íons de
m/z
97,
225, 451 e 473 ao longo da reação.
86
Figura 5.51. Intensidades absolutas dos íons de
m/z
97, 225, 451 e 473 ao longo da ozonólise
do corante vermelho 40.
5.2.4.2. Degradação com ferro zero/radiação ultrassônica
O ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante vermelho 40 mostrou a presença
predominante do ânion
13
, de
m/z
451, conforme mostrado na Figura 5.62. Os ânions de
m/z
409 e 437 são contaminantes.
100 200 300 400 500
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
409
437
451
13
Figura 5.52. ESI(-)-MS de uma solução aquosa do corante vermelho 40 (2,0 x 10
-5
mol L
-1
),
onde observa-se a presença predominante do ânion
13
(
m/z
451).
87
A seleção por massas e posterior fragmentação por CID do ânion
13
(
m/z
451) gerou o
íon
13a
(
m/z
371)
,
indicado na Figura 5.53. Isolando e fragmentado por CID o íon
13a
,
obteve-se o íon
13b
(
m/z
356) mostrado na Figura 5.54.
200 250 300 350 400 450
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
451
371
CID
451
13
13a
Figura 5.53. ESI(-)-MS/MS para o ânion
13
de
m/z
451.
180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
0
20
40
60
80
100
CID
13b
Intensidade Relativa (%)
m/z
371
356
13a
CID
451
371
Figura 5.54. ESI(-)-MS/MS/MS para o ânion
13a
de
m/z
371.
O Esquema 16 traz a propostas de fragmentação por CID, de acordo com os espectros
obtidos.
88
Esquema 16. Proposta de fragmentação via CID para os íons
13
e
13a
.
Alíquotas reacionais foram coletadas e injetadas no ESI-MS após 10, 20, 30, 50 80 e
120 minutos de reação. Para um melhor acompanhamento, a Figura 5.55 traz em conjunto os
espectros do padrão, 120 minutos de reação e do branco. Este último foi obtido submetendo
ao processo de degradação uma solução contendo Fe
0
e H
2
SO
4
nas mesmas concentrações
utilizadas na solução do corante.
89
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
m/z
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa
0
20
40
60
80
100
451
437
409
452
453
111
284 517
248 571489
371207 331
588153 169
401
499
553
249
352
428
169
248
351
321
580
400
513
497
263
432111
581
285
183 396
347
548247
168
401
499
249
553
169
248
352
418
431
400
501
111
321 497
263
555
432
353
183
588
247
168
283 523
Figura 5.55. ESI(-)-MS da reação do corante vermelho 40 com Fe
0
/radiação ultrassônica, em
três momentos distintos: (a) solução padrão 2,0 x 10
-5
mol L
-1
; (b) alíquota injetada após 120
minutos de reação; (c) branco com 120 minutos de reação.
Os espectros obtidos mostram claramente o desaparecimento do pico referente ao
corante (
m/z
451). Observa-se o surgimento de novos picos que não estavam presentes no
padrão (a) no espectro b, por exemplo:
m/z
169, 183, 219, 249, 263, 321, 369, 401, 473, 499,
513, 553. Entretanto, todos estes picos encontram-se também no espectro do branco (c) o que
nos faz descartar a hipótese de serem referentes a produtos de degradação. Estes sinais
podem aparecer no espectro devido à reação entre Fe
0
e H
2
SO
4
adicionados ao meio, gerando
produtos de difícil identificação.
5.2.4.3. Degradação via sistema Fenton combinado
Neste processo, alíquotas reacionais foram coletadas e injetadas no ESI-MS após 1, 2,
3, 5, 10, 15, 20, 60 e 120 minutos de reação. Para um melhor acompanhamento, a Figura 5.56
traz em conjunto os espectros do padrão, 120 minutos de reação e do branco. Este último foi
obtido submetendo ao processo de degradação uma solução contendo Fe
0
, H
2
SO
4
e H
2
O
2
nas
mesmas concentrações utilizadas na solução do corante.
90
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
m/z
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa
0
20
40
60
80
100
451
437
452
409
248
283
497454
371111 207
519
168 346 588571136 328
248
417
328
337
368
497413
452
488
568
351
373
327168
250 528
453
246
588566
186111
166
248
417
328
337
368
413
497
488452
568373
351
327
168
528
250
487
404
246
297
577
566
186
111
166
Figura 5.56. ESI(-)-MS da reação do corante vermelho 40 com Sistema Fenton combinado,
em três momentos distintos: (a) solução padrão 2,0 x 10
-5
mol L
-1
; (b) alíquota injetada após
120 minutos de reação; (c) branco com 120 minutos de reação.
Os espectros obtidos mostram claramente o desaparecimento do pico referente ao
corante (
m/z
451). Observa-se o surgimento de novos picos que não estavam presentes no
padrão (a) no espectro b, por exemplo:
m/z
328, 337, 412, 417, 452, 497, 528, 568. Entretanto,
todos estes picos encontram-se também no espectro do branco (c) o que nos faz descartar a
hipótese de serem referentes a produtos de degradação. Estes sinais podem aparecer no
espectro devido à reação entre Fe
0
, H
2
SO
4
e H
2
O
2
adicionados ao meio, gerando produtos de
difícil identificação.
91
5.3. Espectros GC-MS
Após análise dos resultados obtidos por ESI-MS, percebeu-se a necessidade da
utilização de uma técnica complementar para um melhor entendimento dos mecanismos e
identificação de mais produtos de degradação. Sendo assim, utilizou-se a técnica GC-MS,
após micro extração em fase sólida (SPME) das amostras. Partiu-se da premissa de que alguns
produtos que não foram identificados por ESI-MS poderiam o ser via GC-MS, devido a
fatores como volatilidade e ausência de carga na molécula. Optou-se por analisar, de forma
representativa, o corante amaranto, pertencente à classe azo, submetido à degradação via
ozonólise.
5.3.1. Corante amaranto
Alíquotas reacionais foram coletadas e injetadas no aparelho GC-MS após 0, 70 e 150
minutos de ozonólise. Os cromatogramas obtidos encontram-se na Figura 5.57
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
Tempo (min)
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
11,94
26,75
25,97
12,92
17,89
19,97
24,70
23,10
21,962,29
2,92
19,36
4,18
17,57
16,28
15,13
4,44
11,80
4,89 9,46
7,66
9,74
11,94
15,28
26,99
26,07
24,82
23,1620,38
19,97
12,92
18,49
1,67
2,09
16,58
2,64 11,09
15,04
9,45
4,13
7,64
5,81
11,94
12,92
26,97
26,04
24,70
23,12
21,18
19,91
19,00
17,5815,46
2,14 2,87
1,40 4,11 11,85
9,477,665,84
Figura 5.57. Cromatogramas do corante amaranto: (a) solução padrão 2,0 x 10
-5
mol L
-1
; (b)
70 minutos de ozonólise; (c) 150 minutos de ozonólise.
(a)
(b)
(c)
Tempo (min)
Intensidade Relativa (%)
92
No cromatograma 5.57(a) percebe-se a presença de um pico intenso no tempo de
retenção (TR) igual a 11,94 minutos e outro menos intenso em 12,92 min. Os espectros de
massas destes picos revelam a presença da substância dibutil-ftalato, impureza presente no
meio reacional proveniente das vidrarias utilizadas.
O cromatograma 5.57(b) mostra o surgimento de um pico intenso no TR=9,74 min. O
espectro de massas referente a este pico encontra-se na Figura 5.58.
60 80 100 120 140 160
0
20
40
60
80
100
Intensidade Relativa (%)
m/z
173
174
175
155
127
111
99
83
55
Figura 5.58. Espectro de massas por impacto de elétrons do pico correspondente ao TR=9,74
min do cromatograma 5.57(b).
Analisando a distribuição isotópica do pico base (m/z 173) e comparando-a com dados
teóricos presentes na literatura
73
, pode-se inferir que se trata de um composto com fórmula
molecular C
10
H
7
NO
2
(que possui massa nominal de 173 Da) conforme mostrado na Tabela
5.4.
Tabela 5.4. Comparação entre as distribuições isotópicas obtidas experimentalmente (Figura
5.58) e os dados teóricos para o composto de fórmula molecular C
10
H
7
NO
2
.
Intensidade Relativa (%)
m/z
Dados
Experimentais
Dados Teóricos para o
composto C
10
H
7
NO
2
173 100,00 100,00
174 11,13 11,45
175 0,90 0,94
93
Estes resultados reforçam a hipótese da destruição dos grupos sulfônicos presentes na
molécula do corante pelo ataque via radicais hidroxila (gerando HSO
4
-
), e a formação de
moléculas menores através da quebra da ligação –N=N–. A fórmula molecular do composto
obtido após 70 minutos de ozonólise indica a provável presença do grupo NO
2
na molécula,
que pode ter sido gerado através da oxidação da ligação –N=N–.
5.4. Testes de ecotoxicidade
Os resultados dos testes de ecotoxicidade em
Artemia Salina
obtidos para os corantes
são apresentados na Tabela 5.5.
Tabela 5.5. Resultados dos testes de ecotoxicidade dos corantes em
Artemia salina.
Diluições dos corantes e nº de artemias mortas
(experimentos feitos em triplicata)
Padrões analíticos dos
corantes e soluções
submetidas à
ozonólise
50% 50% 50% 25% 25% 25% 10% 10% 10%
Azul brilhante
(solução padrão*)
1 0 0 0 0 0 0 0 0
Azul brilhante
(submetido à ozonólise)
6 4 4 2 2 3 1 0 0
Amaranto
(solução padrão)
2 2 3 0 0 0 0 0 0
Amaranto
(submetido à ozonólise)
2 3 1 0 0 1 0 0 0
Amarelo crepúsculo
(solução padrão)
0 0 0 0 0 0 0 0 0
Amarelo crepúsculo
(submetido à ozonólise)
3 2 2 0 2 0 0 1 0
Vermelho 40
(solução padrão)
3 1 0 0 0 0 0 0 0
Vermelho 40
(submetido à ozonólise)
3 3 1 0 0 2 0 1 0
A B C
Amostra Controle
0 0 0
* utilizou-se a concentração 2,0 x 10
-5
mol L
-1
para todos os corantes
Com os dados da Tabela 5.5, calculou-se o percentual de mortalidade em cada ensaio,
utilizando as equações da Tabela 4.1 (citada no item 4.8).
94
Tabela 5.6. Percentuais de mortalidade nos testes de ecotoxicidade com
Artemia Salina
.
Diluições dos corantes e % de mortalidade das artemias
Padrões
analíticos dos corantes
e soluções submetidas à
ozonólise
50%
25% 10%
Azul brilhante
(solução padrão)
3,33% 0,00% 0,00%
Azul brilhante
(submetido à ozonólise)
48,28% 23,33% 3,33%
Amaranto
(solução padrão)
23,33% 0,00% 0,00%
Amaranto
(submetido à ozonólise)
26,09% 3,33% 0,00%
Amarelo crepúsculo
(solução padrão)
0,00% 0,00% 0,00%
Amarelo crepúsculo
(submetido à ozonólise)
23,33% 6,67% 3,33%
Vermelho 40
(solução padrão)
13,33% 0,00% 0,00%
Vermelho 40
(submetido à ozonólise)
26,92% 6,67% 3,33%
Os dados obtidos revelam que os produtos de degradação do corante azul brilhante,
depois de submetido à ozonólise e nas diluições a 50 e 25%, apresentam as maiores
toxicidades dentre as amostras analisadas nestas concentrações, atingindo taxas de
mortalidade respectivamente iguais a 48,28 e 23,33%. Com relação à solução padrão deste
mesmo corante, verifica-se uma menor toxicidade, sendo de apenas 3,33% na diluição a 50%.
Os demais corantes apresentaram resultados semelhantes, pois as toxicidades das
soluções depois de submetidas à ozonólise foram maiores do que as das soluções padrão, em
todos os casos. Entretanto, cabe ressaltar que nenhuma solução padrão apresentou toxicidade
nas diluições a 25 e 10%. Nestas diluições, as toxicidades das soluções submetidas à
ozonólise nos casos dos corantes amaranto, amarelo crepúsculo e vermelho 40 não atingiram
altos valores. Já na diluição a 50% para estes corantes e seus produtos de degradação, não foi
verificado nenhum percentual de mortalidade acima de 27%.
Portanto, todos os corantes e seus produtos de degradação apresentaram baixa
toxicidade em menores concentrações (diluições a 25 e 10%). Os corantes amaranto, amarelo
crepúsculo e vermelho 40, e seus produtos de degradação, apresentam toxicidade moderada
na concentração 1,0 x 10
-5
mol L
-1
(diluição a 50%). Como perspectiva futura e para
complementação e enriquecimento deste trabalho, estudos envolvendo a aplicação de outras
técnicas analíticas (p. ex. HPLC-MS) podem ser desenvolvidos na tentativa de identificação
dos compostos com maior toxicidade que os contaminantes originais formados no processo.
95
C
APÍTULO
6
–
C
ONCLUSÕES
Todos os processos empregados foram muito eficientes na degradação de amostras dos
corantes utilizados na indústria alimentícia, sendo observadas taxas de degradação bem
próximas de 100% na maioria dos casos e superiores a 90% em todos eles. As análises de
COT mostraram que não ocorreu mineralização total das soluções aquosas dos corantes
submetidos aos diferentes processos, indicando, portanto, a formação de produtos de
degradação. As maiores taxas de mineralização, entretanto, foram alcançadas com os
processos ozonólise e Fenton combinado, chegando a valores próximos de 80% nas
ozonólises dos corantes amaranto e amarelo crepúsculo e 65% no processo Fenton combinado
para os corantes azul brilhante, amaranto e vermelho 40. O processo Fe
0
/radiação ultrassônica
não apresentou altas taxas de mineralização, devido ao fato de ser um processo
essencialmente redutivo.
As análises por espectrometria de massas com ionização electrospray mostraram-se
eficientes para o monitoramento da degradação dos corantes e, em alguns casos, foi possível a
identificação de produtos de degradação e sugestão de mecanismos. Na ozonólise constatou-
se a destruição dos grupos sulfônicos presentes nas moléculas dos corantes pelo provável
ataque via radicais hidroxila (gerando HSO
4
-
no meio reacional). Na degradação do corante
azul brilhante por Fe
0
/radiação ultrassônica, foi possível propor uma rota de degradação
conveniente a partir dos espectros ESI-MS obtidos.
A análise por GC-MS da ozonólise do corante amaranto revelou a tendência à
formação de moléculas menores através da quebra da ligação –N=N–, conclusão que pode ser
estendida para os demais corantes da classe azo estudados. Cabe ressaltar que o
monitoramento das reações apenas por EAM UV-Vis certamente não permitiria a obtenção do
volume de informações alcançado neste trabalho.
Os testes de ecotoxicidade à
Artemia salina
revelaram que todos os corantes e seus
produtos de degradação (via ozonólise) apresentaram baixa toxicidade quando em menores
concentrações. Em maiores concentrações, os produtos de degradação do corante azul
brilhante foram os que apresentam maior toxicidade, e os demais corantes e seus produtos
apresentaram toxicidade moderada.
Por fim, os resultados obtidos com este trabalho contribuem para um melhor
entendimento dos processos oxidativos e redutivos quando aplicados na degradação de
corantes da indústria alimentícia.
96
R
EFERÊNCIAS
B
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