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4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.5. Estudos por ICP-MS

Depois dos experimentos de lixiviação de PVP-AgNP, a coluna foi dividida em seis partes de igual comprimento como mostrado na Figura 22. A coluna de vidro foi girada de cima para baixo, e, pela força da gravidade e com a ajuda de uma guia, o solo descia naturalmente e rapidamente sem formação de canais preferencias. A cada 5 cm era cortada uma fatia que foi homogeneizada e secada a 105°C por 24 horas. Foi feita uma digestão em triplicata de cada uma destas partes. Foram realizadas determinações de prata para cada tamanho de nanopartículas e tipo de solo, no total 12 amostras. Na Figura 23 está representada a quantidade de prata retida no solo, em miligramas por quilograma de solo seco. Observa-se que NP de 25 nm no solo RQo ficaram mais retidas nos extremos da coluna; já as NP de 75 nm no solo LV ficaram mais retidas na parte central da coluna (10-15 cm). As NP de 75 nm no solo RQo e as de 25 nm no solo LV foram retidas de uma forma mais homogénea ao longo da coluna.

Figura 22 Esquema mostrando as 6 frações de solo para posterior determinação de prata total

em solo e representação da forma de divisão da coluna de solo. As colunas de solo foram divididas depois da percolação de PVP-AgNP de 25 nm e 75 nm.

Figura 23 Concentração da prata em função da profundidade ao longo da coluna do solo, para

os solos RQo e LV e para os dois tamanhos, 25 e 75 nm de AgNP.

A comparação da prata total retida no solo da coluna com a quantidade de prata que foi lixiviado é apresentada na Figura 24. As nanopartículas de 75 nm foram as que mais foram retidas ao passar pela coluna de solo RQo com um 9,87% ± 0,07%; os outros experimentos mostraram uma retenção similar entre 6,7% e 7,3%.

Figura 24 Porcentagem de prata retida durante os experimentos de lixiviação.

Na Figura 25 são comparadas as curvas de ruptura obtidas por espectroscopia UV-Vis através da comparação de alturas da banda de plasmon e as curvas obtidas através da digestão de porções do eluato de PVP-AgNP e posterior leitura de prata total por ICP-MS. No caso da análise por espectroscopia UV-Vis, Co corresponde à altura da banda de plasmon (ou máximo de absorbância) da solução de PVP-AgNP de 5,0 mg L-1 percolada pela coluna, C é a absorbância máxima na banda de plasmon ao longo do tempo. Foi então feita a comparação mais simples, fazendo com que a relação de alturas de bandas correspondesse à relação de concentrações C/C0. Esta é uma forma rápida e simples de obter a curva de ruptura, sendo que a leitura é feita automaticamente no sistema on-line (Figura 3).

Para a determinação de prata por espectroscopia de massas é necessária uma preparação da amostra conforme ítem 4.7. A obtenção de amostras, sua centrifugação, digestão e leitura por ICP-MS é um processo mais lento, mas é necessário para obter informações sobre a quantidade de AgNP que é retida no solo. O método proposto apresenta um limite de detecção (LD) de 0,05 µg L-1 (LD= xo + 3So com nbrancos= 20) e um limite de quantificação (LQ) de 0,09 µg L-1 (LQ= xo + 10So com nbrancos= 20), a correlação da curva de quantificação utilizada é linear e pode ser expressada como Intensidade = 16709 x Concentração Ag, o método é assim adequado para a determinação de baixas concentrações de prata, tais como foram encontradas nas colunas de solo depois do experimento de lixiviação.

Na Figura 25 é possível notar a correspondência que existe entre as curvas de ruptura obtidas pela medida do plasmon e das curvas obtidas por leitura de prata total em amostras de eluato selecionadas. As leituras por ICP-MS mostram diferenças apreciáveis no caso de nanopartículas transportadas no solo argiloso (Figura 25 - LV 75 nm), nessa e em outras curvas de ruptura (Figura 12) aparece um pico na região próxima a um volume de poro de 1. A presença deste tipo de leituras numa relação C/Co > 1 são difíceis de explicar mas podem existir. Entretanto, como as curvas de ruptura por ICP-MS não apresentam este pico, pode ser inferido que o que se tem no caso das curvas por UV-Vis deve ser decorrente de um problema de linha base. Este problema poderia ser corrigido fazendo uma relação de áreas, e não de alturas da banda de plasmon, e utilizando ferramentas quimiométricas. Fazendo relações entre áreas faz com que em algumas curvas de ruptura o pico com C/Co > 1 desapareça, mas em outras não. Como o método não está sendo aplicáveis a todas as curvas, resultados deste tratamento não são mostrados neste documento.

Figura 25 Comparação entre as curvas de ruptura obtidas por meio de espectroscopia UV-Vis

O modelo utilizado para calcular parâmetros de transporte representa os dados experimentais da curva sem poder modelar os pontos que possuem uma relação C/Co > 1 como mostrado na Figura 25. Isto indica que as diferenças entre o cálculo de parâmetros de transporte com curvas de ruptura obtidas por UV-Vis e ICP-MS são poucas. Levando em conta estes resultados, a análise por UV-Vis é preferível já que tem a vantagem de ser mais económica, simples e rápida. Isto é importante devido a que na área ambiental o número de amostras tende a ser muito grande em razão da variabilidade espacial. O espectrofotómetro UV-Vis é um equipamento mais simples e disponível, e neste caso foi acoplado facilmente à coluna de solo, permitindo obter um método de leitura online.

A partir do espectro de absorção das nanopartículas pode se obter informação adicional ao monitorar a banda de plasmon. Se esta apresentar mudanças ao longo do tempo ou se a superfície de resposta mostrar outros sinais em outros comprimentos de onda, poderia se afirmar que houve algum tipo de modificação como agregação ou decomposição.

As amostras obtidas da eluição das nanopartículas pela coluna foram centrifugadas (conforme ítem 3.7) com a finalidade de separar PVP-AgNP na fase sólida, e espécies solúveis na fase aquosa (prata livre), tais como ions Ag+, ou AgNP de tamanhos menores. A Figura 26 mostra as curvas de ruptura obtidas a partir da quantificação de prata total (AgT) e as curvas obtidas ao partir da análise da prata livre em solução (Aglivre) logo após da separação por centrifugação. A prata considerada em forma de NP ou agregado é a diferença entre prata total e prata livre (AgNP =AgT - Aglivre).

Na Figura 26 observa-se que a prata livre corresponde a aproximadamente 70% da prata total num volume de poro de um (1), porcentagem que vem se reduzindo até ser aproximadamente 0 % ao passar 5 volumes de poro pela coluna. Estes resultados não estão conformes com a informação obtidas pelas leituras da banda de plasmon. É esperado que a prata que não sedimenta por centrifugação corresponda à espécies de prata que não apresentam fenômeno SPR, ou seja que não estão como NP. Se até 80% da prata presente não fosse NP, o espectro de absorção no UV-Vis só apareceria depois de um volume de poro e o máximo de absorbância na banda SPR em função do tempo apresentaria um comportamento similar ao da linha ponteada na Figura 26. Entretanto, como mostrado na Figura 27, a banda de plasmon permanece pouco alterada ao longo do experimento de eluição. Tampouco aparecem outros sinais aparte da banda de plasmon na região analisada (200-1100 nm), o que indica que as

nanopartículas permanecem inalteradas ao longo do seu percurso pela coluna. As diferencias encontradas podem ser devidas ao processo de centrifugação: a aceleração centrífuga a 10000 rpm na centrifuga Bio-Spin-R utilizada neste trabalho é de aproximadamente 11000 g (Sussulini et al., 2007), enquanto que a aceleração centrífuga que exerce uma ultracentrifuga a 10000 rpm é de cerca de 100000 g. Logo para a separação completa das nanopartículas em menos de uma hora, que é o tempo necessário para alcançar uma boa quantidade de amostras num experimento de eluição (15 pontos de amostragem) seria necessária utilizar uma ultracentrifugação (Liu et al., 2012).

Como prova de que as nanopartículas não conseguiram ser separadas por centrifugação simples, se tem fotografias do sobrenadante mostrando a cor característico das AgNP e seus espetros que confirmam que a cor é devida às NP e não a interferentes (Figura 28).

Figura 26 Curva de ruptura obtida fazendo quantificação de prata total (AgT) e curva de ruptura obtida fazendo a análise da prata livre em solução (Aglivre) logo após da separação por centrifugação. A prata considerada em forma de NP ou agregado é a diferença entre prata total e prata livre (AgNP=AgT-Aglivre)

Figura 27 espectro de absorção das nanopartículas ao longo do tempo num experimento de

eluição de NP com curvas de ruptura amostradas na Figura 26.

Figura 28 Espectros de absorção no UV-Vis mostrando a existência de banda SPR em

soluções de sobrenadante logo após de centrifugação e a fotografia das soluções mostrando a cor.

CONCLUSÕES

- Ao trabalhar em condições de não equilíbrio numa coluna de solo foi possível tornar as condições experimentais mais realistas quando comparadas com as condições de equilíbrio dos experimentos em batelada.

- O desenho da coluna foi melhorado comparado com outros trabalhos recentes de mobilidade de AgNP em solos assegurando que se está trabalhando nas condições de fluxo unidimensional requerida pelo modelo de transporte utilizado. O desenho da coluna está de acordo com as considerações dos órgãos internacionais como USEPA (United States Environmental Protection Agency) ou OCDE (Organização para a Cooperação e o Desenvolvimento Econômico) para estudos de lixiviação.

- Foi possível realizar a detecção do traçador brometo no modo online num sistema de injeção em fluxo acoplado a uma coluna de solo, fazendo com que os experimentos demorem menos tempo, permitindo as análises de um major número de amostras e com menor custo devido à instrumentação requerida.

- Das curvas de ruptura do traçador brometo se conclui que este não se comporta como traçador conservativo nos dois solos estudados.

- Ao comparar os resultados do brometo com os das nanopartículas é possível afirmar que estas se comportam como traçador conservativo. Isto significa que as PVP-AgNP não tem interações fortes com a matriz do solo e possuem uma alta mobilidade representando um problema ambiental posto que estas podem alcançar o nível freático do solo.

- Curvas de ruptura obtidas pelo monitoramento da banda de plasmon são mais rápidas de obter e evitam etapas de preparação de amostra como a digestão de nanopartículas requerida para a análise de prata por técnicas como ICP-MS.

- Por meio de um planejamento experimental foi possível explicar quais fatores controlam a modificação destas nanopartículas em solução aquosa. Os fatores de maior efeito foram o tamanho das nanoparticulas e o efeito dependente entre pH e o íon cloreto.

- As curvas de ruptura obtidas por espectroscopia UV-vis têm similitude com as obtidas pela leitura de prata total por ICP-MS; nestas últimas são corrigidos problemas de linha base observados pela análise da banda de plasmon.

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