UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS Programa de Pós-Graduação em Química
Dissertação
Avaliação da concentração de Cd, Pb e Cr em sedimentos do Canal São Gonçalo em Pelotas-RS por Espectrometria de Absorção
Atômica com Forno de Grafite
Janaína Garcia Timm
Pelotas, abril de 2016.
II Janaína Garcia Timm
Avaliação da concentração de Cd, Pb e Cr em sedimentos do Canal São Gonçalo em Pelotas-RS por Espectrometria de Absorção Atômica com Forno de Grafite
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Química da Universidade Federal de Pelotas, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Química (ênfase em Química Analítica).
Orientadora: Profa. Dra. Mariana Antunes Vieira Co-Orientador: Prof. Dr. Anderson Schwingel Ribeiro
III Pelotas, abril de 2016.
A banca examinadora, abaixo assinada, aprova a Dissertação de Mestrado intitulada
“Avaliação da concentração de Cd, Pb e Cr em sedimentos do Canal São Gonçalo em Pelotas-RS por Espectrometria de Absorção Atômica com Forno de Grafite”, de autoria de Janaína Garcia Timm.
Banca examinadora:
...
Profa. Dra. Mariana Antunes Vieira (Orientadora - UFPel)
...
Profa. Dra. Daiane Dias (FURG)
...
Profa. Dra. Adriane Medeiros Nunes (UFPel)
IV Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus por me conceder a graça da vida e pelo acompanhamento em toda trajetória dela.
Agradeço aos meus pais Mariza e Dari e meu irmão Rober por todo suporte que fizeram com que eu chegasse até aqui, pelo carinho, amor incondicional e confiança nos momentos mais difíceis.
Ao meu companheiro Claudemir Júnior pelo amor, carinho, paciência, incentivo e auxílio em todos os momentos.
A todos familiares e amigos que torceram por mim durante toda minha trajetória.
À minha orientadora Profa. Dra. Mariana Antunes Vieira, pela oportunidade concedida para a realização deste trabalho, pela confiança, incentivo e principalmente pelos conhecimentos transmitidos. Muito obrigada!
Ao meu co-orientador Prof. Dr. Anderson Schwingel Ribeiro pelos ensinamentos passados e pela oportunidade de participar do grupo de pesquisa LabMeQui. Muito obrigada!
Aos colegas Aline, Leila, Marcelo, Camila Oliz e Ane pelo apoio, ajuda e ensinamentos passados durante a realização deste trabalho, e principalmente pela amizade estabelecida. Muito obrigada!
Aos colegas de laboratório, Richard, Daísa, Camila Pereira, Alexander e Eliézer pelo auxílio durante este período.
Ao Programa de Pós-graduação em Química (PPGQ) da Universidade Federal de Pelotas (UFPel), pela possibilidade de realização deste trabalho.
V À CAPES e FAPERGS pelo suporte financeiro.
E por fim, a todos que de alguma maneira contribuíram para a realização desse trabalho. Muito obrigada!
VI RESUMO
Título: Avaliação da concentração de Cd, Pb e Cr em sedimentos do Canal São Gonçalo em Pelotas-RS por Espectrometria de Absorção Atômica com Forno de Grafite
Autora: Janaína Garcia Timm
Orientadora: Mariana Antunes Vieira
Co-orientador: Anderson Schwingel Ribeiro
A qualidade do meio ambiente vem se tornando cada vez mais uma fonte de preocupação, já que a inserção de metais potencialmente tóxicos pode causar consequências tanto para a população quanto para os animais que fazem parte deste ambiente. O Canal São Gonçalo, situado na região de Pelotas - RS é o elo entre a Lagoa Mirim e a Laguna dos Patos. Estudos recentes vêm sendo realizados a fim de verificar o impacto ambiental que o canal e corpos d’água ao seu redor possam estar sofrendo devido ao lançamento de rejeitos, passagem de grandes embarcações para o Porto de Rio Grande bem como a ação do uso de agroquímicos nas plantações de arroz próximas a ele. Dentro deste contexto, o presente trabalho tem por objetivo aplicar a extração assistida por ultrassom como um método de preparo de amostra simples para posterior determinação de elementos tóxicos como Cd, Pb e Cr por Espectrometria de Absorção Atômica com Forno de Grafite em amostras de sedimentos do Canal São Gonçalo, a fim de avaliar a contaminação do mesmo por estes metais. Para o método, utilizou-se 100 mg de sedimento com adição de 2 mL de HNO3 e 1 mL de HF, o qual foi deixado em banho ultrassônico por 1 hora a 25 ºC. Os limites de detecção obtidos, levando em consideração a massa de amostra utilizada, foram de 0,002; 0,386 e 0,026 mg Kg-1 para Cd, Pb e Cr, respectivamente. A exatidão do método foi confirmada através da análise de materiais de referência certificados e a precisão verificada por meio dos valores de desvio padrão relativos obtidos, (todos abaixo de 10%), considerados ideais para a técnica de GF AAS. A caracterização da composição química de algumas amostras de sedimento foi realizada através da técnica de Espectroscopia de Infravermelho, a qual demonstrou a complexidade desse tipo matriz. A análise das amostras de sedimento, apresentou concentrações médias, em mg Kg-1, de 0,261; 1,966 e 28,28 para Cd, Pb e Cr, respectivamente. Estas concentrações estão abaixo das
VII estabelecidas pela legislação. No entanto, enfatiza-se a importância de um monitoramento frequente do canal, uma vez que essas concentrações podem aumentar. O método utilizado, considerado simples, foi eficiente para extrair da amostra elementos com certo grau de volatilidade, sem a necessidade de um sistema fechado e/ou com alta pressão. Desta forma, o método pode auxiliar no monitoramento rápido, eficiente e com baixo custo para o controle de metais tóxicos em amostras de sedimentos.
Palavras-chave: metais tóxicos, sedimentos, extração assistida por ultrassom, espectrometria de absorção atômica.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA Dissertação de Mestrado em Química
Pelotas, Abril de 2016.
VIII ABSTRACT
Title: Evaluation of Cd, Pb and Cr concentration in sediments from São Gonçalo Channel, in Pelotas-RS by Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry.
Author: Janaína Garcia Timm
AcademicAdvisor: Profa. Dra. Mariana Antunes Vieira Academic Co-advisor: Prof. Dr. Anderson Schwingel Ribeiro
Environmental quality has become increasingly a matter of concern because the insertion of potentially toxic metals can cause trouble both for people and animals.
São Gonçalo Canal situated in Pelotas-RS is the link between Lagoa Mirim and Lagoa dos Patos. Recent studies have been conducted to check the environmental impact of the canal and water bodies around you may be suffering due to the release of rejects, passage of large boats to the Port of Rio Grande and the action of the use of agrochemicals the rice paddies next to it. In this context, the present work aims to apply the ultrasound- assisted extraction as a simple sample preparation method to determine volatile toxic elements such as Cd, Pb and Cr in sediment from São Gonçalo channel by Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry in order to assess its contamination. For the method, was used 100 mg of sediment and added 2 mL of HNO3 and 1 mL of HF and the mixture was left in the ultrasonic bath for 1 hour to 25oC. The limits of detection obtained considering the sample mass used were 0.002; 0.386 and 0.026 mg Kg-1 for Cd; Pb and Cr, respectively. The accuracy of the method was confirmed by the certified reference materials analysis and its precision was determined by the values of relative standard deviation below 10%, considered satisfactory for the GF AAS technique. The characterization of the chemical composition of some sediment samples was carried out by Infrared Spectroscopy technique, which showed the complexity of this matrix. The analysis of sediment samples showed an average concentration, in m kg-1, of 0.261; 1.966 and 28.28 for Cd; Pb, and Cr, respectively. These concentrations are lower than to the established legislation. However, it emphasizes the importance of frequent monitoring of the channel, since such concentrations may be increased. The method used, considered simple was efficient to extract the volatile analytes of the sample without the need of a closed system and/or a high-pressure system. This way, the
IX method can help with the fast and effective monitoring, with a low cost and high sensitivity to control toxic metals in sediment samples.
Keywords: toxic metals, sediment, ultrasound assisted extraction, atomic absorption spectrometry
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA Dissertação de Mestrado em Química
Pelotas, Abril 2016.
X LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Localização do Canal São Gonçalo em Pelotas-RS. ... 17
Figura 2: Deposição irregular de resíduo de construção ao longo do Canal São Gonçalo. ... 19
Figura 3: Pontos de coletas das amostras de sedimento no Canal São Gonçalo. ... 37
Figura4: Curvas de pirólisee atomizaçãopara Cd, Pb e Cr em amostras de sedimento. ... 43
Figura 5: Concentraçãode Cd no verão de 2013. ... 48
Figura 6:Concentração de Cd no outubro de 2013. ... 48
Figura 7: Concentração de Cd no Inverno de 2013. ... 49
Figura 8: Concentração de Cd na primavera de 2013. ... 49
Figura 9: Concentrações de Cd no verão de 2014. ... 49
Figura 10: Concentração de Pb no verão de 2013. ... 50
Figura 11: Concentração de Pb no outono de 2013. ... 50
Figura 12: Concentração de Pb no inverno de 2013. ... 50
Figura 13: Concentração de Pb na primavera de 2013. ... 51
Figura 14: Concentração de Pb no verão de 2014. ... 51
Figura 15: Concentração de Cr no verão de 2013. ... 52
Figura 16: Concentração de Cr no outono de 2013. ... 52
Figura 17: Concentração de Cr no inverno de 2013. ... 52
Figura 18: Concentração de Cr na primavera de 2013. ... 53
Figura 19: Concentração de Cr no verão de 2014. ... 53
Figura 20: Espectro de infravermelho para o sedimento coletado no ponto 0 nas coletas 1, 2, 3, 4 e 5. ... 57
Figura 21: Espectro de infravermelho para o sedimento coletado no ponto 3 nas coletas 1, 2, 3, 4 e 5. ... 58
XI LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Níveis de classificação do material a ser dragado ... 23 Tabela 2: Condições operacionais para determinação de Cd, Pb e Cr. ... 34 Tabela 3: Programa de tempo e temperatura do GF AAS para determinação de Cd, Pb, Cr em amostras de sedimento. ... 35 Tabela 4: Descrição e georreferência dos pontos coletados ... 37 Tabela 5: Parâmetros de mérito obtidos para Cd, Pb e Cr por GF AAS ... 44 Tabela 6: Concentração±SD (RSD, %)de Pb, Cd e Cr obtidos nos CRMs SRM 2704a e BCR 667 pelo método de extração assistida por ultrassom (n=5). ... 45 Tabela 7: Concentrações em mg kg-1 ± SD (RSD, %) de Cd, Pb e Cr obtidas em amostras de sedimento provenientes do Canal São Gonçalo (n=3). ... 47 Tabela 8: Níveis e concentrações dos metais no material dragado. ... 56
XII LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ANOVA: Análise de variância
CONAMA: Conselho Nacional do Meio Ambiente CRM: Material de Referência Certificado
F AAS: Espectrometria de absorção atômica em chama (em inglês, Flame Atomic Absorption Spectrometry)
EPA: Agência de Proteção Ambiental Americana (em inglês, Environmental Protection Agency)
BCR (em inglês Bureau Communautaire de Reference)
GF AAS: Espectrometria de absorção atômica com forno de grafite (em inglês, Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry)
LD: Limite de detecção LQ: Limite de quantificação
NIST: Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (em inglês, National Institute of Standards and Technology)
RSD: Desvio padrão relativo (em inglês, relative standard deviation).
SD: Desvio padrão (em inglês, standard deviation)
XIII SUMÁRIO
RESUMO ... VI ABSTRACT ... VIII LISTA DE FIGURAS ... X LISTA DE TABELAS ... XI LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ... XII SUMÁRIO ... XIII
1. INTRODUÇÃO ... 15
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 17
2.1 Área de Estudo: Canal São Gonçalo ... 17
2.2 Sedimento ... 20
2.3 Metais Tóxicos ... 21
2.3.1 Cádmio ... 24
2.3.2 Chumbo ... 25
2.3.3 Cromo ... 25
2.4 Preparo de amostras de sedimento ... 26
2.4.1 Extração assistida por ultrassom ... 28
2.5 Espectrometria de Absorção Atômica ... 29
2.5.1 Espectrometria de Absorção Atômica com Forno de grafite ... 30
2.6 Espectroscopia na região do Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) ... 31
3. OBJETIVOS ... 33
3.1 Geral ... 33
3.2 Específicos ... 33
4. MATERIAIS E MÉTODOS ... 34
4.1 Instrumentação ... 34
4.2 Reagentes ... 35
4.3 Amostragem ... 36
4.4 Preparo das amostras de sedimento ... 38
XIV
4.5 Tratamento Estatístico ... 40
4.6. Parâmetros de Mérito ... 40
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 42
5.1 Otimização do programa de aquecimento do forno de grafite ... 42
5.1.1 Curvas de pirólise e atomização para Cd, Pb e Cr ... 42
5.2 Resultados Analíticos: Parâmetros de mérito ... 44
5.3 Avaliação da Precisão e Exatidão... 45
5.4 Determinação das concentrações de Cd, Pb e Cr nas amostras de sedimento ... 46
5.5 Caracterização das amostras de sedimento por Espectroscopia de Infravermelho.. 56
6. CONCLUSÕES ... 60
BIBLIOGRAFIA ... 61
15 1. INTRODUÇÃO
A acentuada expansão industrial, bem como o aumento da urbanização, colabora para o aumento da inserção de metais tóxicos que acarretam em efeitos deletérios aos diversos compartimentos ambientais. O lançamento de efluentes tanto industriais quanto domésticos, se tornam uma séria preocupação, já que essa ação gera como consequência, impactos danosos para a natureza [1].
Muitos metais são importantes para o desenvolvimento industrial, entretanto, quando inseridos na natureza, através dessas atividades industriais se tornam importantes fontes poluidoras, já que são responsáveis por causar vários efeitos adversos à fauna e a flora. Os elementos traço estão presentes no ambiente através de processos naturais como intemperismos e corrosão de rochas, porém, podem também ser inseridos por meio de fontes antropogênicas como o uso de fertilizantes e pesticidas, lançamento de efluentes de diversas procedências e decomposição de restos de animais [2].
Dentre a classe de contaminantes, os metais tóxicos (também conhecidos como metais pesados) como Cd, Cr, Hg e Pb e semi-metais, como é o caso do As, geram maior preocupação e despertam maior interesse na realização de estudos ambientais, uma vez que apresentam elevada toxicidade, mesmo em baixas concentrações. Além disso, por não serem degradáveis a compostos menos tóxicos, apresentam características de acumulação e retenção no corpo humano, e alta permanência no meio ambiente, principalmente nos sedimentos [3].
O emprego desses metais em atividades industriais contribui fortemente para o enriquecimento dos mesmos em ambientes naturais como solo, plantas, rios, lagos, oceanos, causando impactos ecológicos extremamente negativos [4].
Os metais que se encontram em sedimentos estão, geralmente, distribuídos na forma de soluções, compostos minerais ou adsorvidos em partículas inorgânicas e orgânicas, estando acumulados e fazendo parte também da cadeia alimentar de vários organismos. Assim, a avaliação da qualidade ambiental está diretamente relacionada aos níveis de substâncias, cátions ou ânions em diversos compartimentos da natureza [5] [6].
Os sedimentos são constituídos por partículas minerais, como argila, areia e matéria orgânica, que são transportadas ou depositadas no ambiente aquático e
16 desempenham um importante papel, no sentido que eles refletem possíveis contaminações que o corpo d’água possa estar sofrendo, já que possuem a capacidade de absorver metais que não permanecem solúveis após sua inserção nas águas [7] [8].
Considerados um dos melhores meios para concentrar metais nos ambientes aquáticos, a importância na avaliação do nível de contaminação nos sedimentos está na capacidade que eles apresentam em acumular poluentes e também por serem considerados fontes de contaminação, através da liberação de espécies contaminantes. Tais espécies são geralmente liberadas devido a alterações nas condições ambientais e físico-químicas podendo causar a contaminação dos sistemas ambientais, afetando sua qualidade, causando como consequência à bioacumulação e transferência na cadeia trófica [8].
Assim, o estudo químico dos sedimentos se torna primordial na investigação de possíveis contaminações da biota aquática. São importantes objetos de estudos que refletem a contaminação ocorrida e acumulada, servindo como instrumento de avaliação da qualidade dos ecossistemas aquáticos [9].
17 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Área de Estudo: Canal São Gonçalo
O Canal São Gonçalo margeia a cidade de Pelotas no Rio Grande do Sul, sendo o principal elo entre a Lagoa Mirim e a Laguna dos Patos no sentido Sudoeste-Nordeste, sendo seu principal afluente o Rio Piratini. O Canal apresenta aproximadamente 70 Km de extensão, de 200 a 300 m de largura e 6 m de profundidade máxima, de um lado é delimitado pelo município de Rio Grande e, do outro, pelos municípios de Pelotas, Capão do Leão, Pedro Osório e Arroio Grande, como mostra a Figura 1 [10] [11].
Figura 1: Localização do Canal São Gonçalo em Pelotas-RS.
Fonte: Google Maps
Quanto à influência do Canal São Gonçalo, o mesmo recebe águas de diferentes arroios e canais que permeiam a zona urbana e zonas rurais de Pelotas,
18 destacando-se o canal Santa Bárbara, o Canal do Pepino e o Arroio Pelotas, os quais recebem resíduos sólidos, esgotos domésticos e águas residuárias do meio urbano e rural [12].
A presença de residências e indústrias que se encontram em torno do canal, faz com que o mesmo sofra grande influência de contaminantes, aliando-se ainda a passagem de embarcações de pequeno e grande porte e deposição irregular de resíduos de demolição.
Umas das fontes de contaminação deste recurso hídrico são também as lavouras de arroz irrigado que se encontram a margem do canal e contribuem para um problema ambiental, já que captam sua água para fins de irrigação, mas também utiliza o mesmo para devolver a água que foi utilizada, carregando consigo agroquímicos usados nas lavouras [13].
Outra possível fonte de contaminação é devido à disposição inadequada dos resíduos provenientes da construção civil, que é um dos setores econômicos que causam maior impacto ao meio ambiente. A deposição inadequada deste tipo de material ao longo da margem do Canal São Gonçalo e seus afluentes (Figura 2) representa um grave problema ambiental, pois, além de deteriorar a qualidade das águas superficiais e subterrâneas, contribui para as inundações da área urbana e para a proliferação de vetores de doenças [11].
19 Figura 2: Deposição irregular de resíduo de construção ao longo do Canal São Gonçalo [11].
Dessa forma, todas essas ações contribuem para um potente problema ambiental, já que diversos metais contaminantes podem estar sendo inseridos, contribuindo para a contaminação deste corpo d’água [14] [15].
Na década de 70, visando o desenvolvimento agrícola em torno da Lagoa Mirim e Canal São Gonçalo, foi construída a barragem Eclusa localizada na extremidade nordeste do Canal São Gonçalo. A barragem tem com o objetivo evitar a intrusão de água salgada do estuário da Lagoa dos Patos em parte da Lagoa Mirim e do canal, assegurando, a qualidade das águas, garantindo uma reserva de água doce binacional e um melhor aproveitamento dos recursos naturais para o uso humano, como abastecimento de água na cidade de Rio Grande, irrigação de lavouras de arroz e industrial [16] [17].
O Canal São Gonçalo é considerado um canal, pois, as águas correm da Lagoa Mirim para a Lagoa dos Patos na maior parte do tempo, entretanto, em períodos de eventual estiagem seu fluxo é invertido [15].
20 2.2 Sedimento
Em sistemas naturais, os sedimentos são formados pela deposição de partículas da coluna de água. Durante a sedimentação, as espécies químicas que estão presentes na coluna de água são adsorvidas nos sedimentos de superfície que mais tarde constituirão o sedimento de fundo [18].
As partículas tendem a se depositar na água pela ação da gravidade, cuja velocidade depende do tamanho e da forma do grão e também do revestimento natural da superfície, das soluções eletrolíticas e das substâncias orgânicas dissolvidas [19].
Os sedimentos são considerados grandes reservatórios de contaminantes, já que diversos elementos, inclusive em níveis traço, podem ficar retidos nos minerais presentes na sua composição por processos de adsorção, precipitação e complexação [20]. Eles são depósitos complexos de partículas sólidas inorgânicas, matéria orgânica e constituintes adsorvidos [18].
As espécies químicas que são encontradas no corpo d’água e que podem ser adsorvidas nos sedimentos tornam esses materiais importantes instrumentos para a obtenção de informações a respeito da contaminação ocorrida e acumulada em um período de tempo [18].
A adsorção dos metais nos solos, de uma forma geral, é um dos principais processos que relaciona a biodisponibilidade destes no meio aquático, uma vez que controla as concentrações dos íons metálicos e complexos formados [21]. Em sedimentos, o aumento da concentração dos metais ocorre em função da sua ionização com os grupamentos funcionais presentes nas estruturas dos argilominerais, óxidos hidratados e matéria orgânica [22]. Já com relação à mobilização dos metais, esta depende de fatores como a textura física e a natureza química do próprio sedimento, que irão determinar a quantidade e força de ligação dos metais [23].
As concentrações de metais presentes nos sedimentos podem, em alguns casos, exceder em cinco vezes as ordens de grandezas presentes nas águas, o que pode aumentar em muito a sua toxicidade [24]. Assim, diversas espécies de valor comercial e organismos que participam da cadeia alimentar podem sofrer impactos, pois passam boa parte de sua vida em sedimentos aquáticos [25].
21 Os sedimentos são considerados tanto carreadores como fontes de contaminantes dos sistemas aquáticos, promovendo a bioacumulação na cadeia alimentar, podendo gerar distúrbios metabólicos, além de contaminar os solos e águas subterrâneas [26].
Desta forma, os sedimentos atuam como transportadores de contaminantes no ambiente aquático, uma vez que estes não são fixados permanentemente neste compartimento, podendo ser novamente inseridos na água por meio de mudanças físico-químicas e trocas ambientais [27].
Nesse contexto, o estudo químico dos sedimentos, em especial os metais que estão presentes neles é primordial na investigação de uma possível contaminação da biota aquática, permitindo inferir sobre o impacto que o metal pode causar ao meio ambiente [27].
2.3 Metais Tóxicos
Os metais que apresentam função biológica participam dos processos fisiológicos dos organismos aquáticos, já os que não têm são geralmente tóxicos a uma grande variedade de espécies. Entretanto, mesmo aqueles metais com função biológica definida, quando em concentrações acima das normalmente encontradas no ambiente, podem apresentar toxicidade aos organismos vegetais e animais [28].
Nos ecossistemas aquáticos, os metais (traço ou não) que estão presentes se encontram em diferentes formas químicas, que podem ser inseridos por meios naturais, através de atividades geológicas, intemperismo ou ciclos biogeoquímicos, ou por meio de ações antrópicas, que podem transformar os teores normais de metais em concentrações consideradas tóxicas [29]. Dentre as fontes antrópicas podem-se citar atividades como [21]:
Mineração: metais obtidos pelo processo de exploração de jazidas contidas nas rochas da crosta terrestre ou pela reciclagem da sucata de metal originalmente derivado de fontes geológicas geram rejeitos que ficam sujeitos a intempéries, tomando-se assim, uma importante fonte de metais pesados para o ambiente.
22
Materiais empregados na agricultura:
- Impurezas nos fertilizantes: contém Cd, Cr, Mo, Pb, U e Zn;
- Pesticidas: Cu, As, Hg, Pb, Mn, Zn;
- Conservadores de madeira: As e Cu;
- Excrementos: Cd, Cu, Ni, Pb, Zn e As;
- Lodo do esgoto: Cd, Ni, Cu, Pb e Zn;
- Corrosão de objetos metálicos, como cercas, calhas, etc: Zn e Cd.
Indústrias metalúrgicas: muitos metais tóxicos são utilizados em ligas metálicas, entre os quais estão: V, Pb, Mo, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Si, Sb, Cd, Be, Li, As, Ag, Sb, entre outros.
Eletrônica: vários elementos traço como, Cu, Zn, Au, Ag, Pb, Sn, Y, W, Cr, Se, Ir, In, Ga, Ge, Re, Sn, Tb, Co, Mo, Hg, Sb e As são usados na fabricação de semicondutores e outros componentes eletrônicos.
Outras fontes:
- Baterias: Pb, Sb, Zn, Cd, Ni e Hg;
- Tintas e pigmentos: Pb, Cr, As, Sb, Se, Mo, Cd, Ba, Zn, Co, Ti;
- Estabilizadores de polímeros: Cd, Zn, Sn, Pb
- Usos médicos: Ag, Sn, Hg, Cu e Zn (ligas dentárias): As, Bi, Sb, Se, Ba, Ta, Li, Pt (drogas/preparados medicinais);
- Aditivos de combustíveis e lubrificantes: Se, Te, Pb, Mo e Li.
De acordo com a legislação vigente, disposta pela Resolução da CONAMA, den°454 de 2012 [30], são considerados dois níveis de concentração dos metais para caracterizar uma possível contaminação ambiental, sendo eles:
- Nível 1: limiar abaixo do qual existe baixa probabilidade de efeitos adversos à biota.
- Nível2: limiar acima do qual existe um provável efeito adverso à biota.
A Tabela 1 informa as concentrações dos metais encontrados no material dragado (sedimento).
23 Tabela 1: Níveis de classificação do material a ser dragado [30].
Substâncias
Níveis de concentração do material a ser dragado (em unidade de material seco)
Água doce Água
salina/salobra Nível 1 Nível 2 Nível 1 Nível 2
Metais e Semi metais (mg kg-1)
Arsênio (As) 5,9 17 19 70
Cádmio (Cd) 0,6 3,5 1,2 7,2
Chumbo (Pb) 35 91,3 46,7 218
Cobre (Cu) 35,7 197 34 270
Cromo (Cr) 37,3 90 81 370
Mercúrio (Hg) 0,17 0,486 0,3 1,0
Níquel (Ni) 18 35,9 20,9 51,6
Zinco (Zi) 123 315 150 410
Fonte: CONAMA 454/12 [30]
Os metais pesados são elementos não degradáveis e estão associados a efeitos nocivos no meio ambiente marinho e estuarino, pois apresentam toxicidade, persistência e bioacumulação na cadeia trófica. A sua inclusão pode ocorrer através de processos de adsorção e complexação, apresentando ampla capacidade de acumulação em sedimentos de granulometria fina e com índices elevados de matéria orgânica [31].
Nos corpos d’água naturais, o comportamento dos metais é extremamente complexo, já que há muitas possibilidades de interações entre o material dissolvido e particulado [32].
No processo de adsorção, por exemplo, os cátions metálicos são mantidos na partícula do sedimento por atração eletrostática dando origem a uma troca iônica com os íons circulantes, e podem ser facilmente liberados conforme alterações do ambiente. Entretanto, os metais adsorvidos numa esfera mais interna da partícula necessitam de uma elevada energia para que ocorra a dessorção do metal [33].
A matéria orgânica presente na composição do sedimento também é um dos fatores que governam a inserção dos metais tóxicos. Ela é constituída de carboidratos, aminoácidos, lipídeos e compostos aromáticos, porém, a maior parte
24 de sua composição é formada pelas substâncias húmicas. Estas, por sua vez, são originadas pela degradação microbiótica de biolipídeos e pela polimerização de organismos menores existentes no ambiente. As substâncias húmicas, devido à presença de grupos carboxílicos, fenólicos e carbonílicos, apresentam capacidade de complexar íons metálicos, influenciando significativamente o transporte, a distribuição e a acumulação de metais no ambiente [34].
Dessa maneira, sob diferentes condições físico-químicas e na presença de diferentes compostos orgânicos e minerais, o comportamento dos metais no solo pode ser modificado, implicando em disponibilidade diferenciada para o ambiente [33].
É possível observar que diversos fatores contribuem para que os metais sejam incorporados nos sedimentos, podendo também, se encontrarem em formas biodisponíveis no ambiente aquático, tornando-se capazes de serem absorvidos pelos organismos vivos, afetando seus ciclos de vida [23].
2.3.1 Cádmio
O cádmio é um elemento não essencial, pois não apresenta nenhuma função biológica em animais e humanos e, portanto, pode ser considerado um elemento tóxico [35].
Em águas naturais, ele se apresenta geralmente na forma de íons livres, compostos orgânicos, onde predominam-se os citratos e compostos inorgânicos como carbonatos, cloretos e sulfatos. Seus principais minerais encontram-se presentes nas formas de CdS e CdO, estando esses, associados a outros minerais.
No entanto, a forma mais comum encontrada deste metal no ambiente aquático é o cátion bivalente, que se encontra ligado fracamente ao sedimento, apresentando uma maior mobilidade que outros metais [36].
As emissões naturais de Cd são resultados de processos que envolvem atividade vulcânica, incêndios florestais e erosão de rochas sedimentares. Já como fontes antropogênicas, pode-se citar atividades de mineração, utilização em produtos como baterias, pigmentos, ligas de cádmio, entre outros [37].
O aumento da deposição de Cd no solo também está associado à aplicação direta de fertilizantes, além do despejo de lamas provenientes de esgoto e dejetos vindos da indústria e resíduos sólidos urbanos compostados [38]. As formas solúveis
25 migram com grande facilidade na água e pode ser absorvido e retido pelas plantas aquáticas e terrestres [39].
Um dos fatores que está intimamente ligado a acumulação de Cd no sedimento é a intensidade da adsorção, sendo que esta depende da presença de substâncias orgânicas [21].
Esse metal consegue percorrer por diversas membranas e quando está no interior das células liga-se facilmente a moléculas que possui grande afinidade, tal como, as metaloproteínas [40] [41]. Assim, os efeitos tóxicos associados a uma longa exposição ao Cd incluem danos no sistema gastrointestinal, respiratório, e rins, além da bioacumulação poder ocorrer também em invertebrados aquáticos e algas [36].
2.3.2 Chumbo
O chumbo é um metal abundante na crosta terrestre, estando presente na composição de muitos minerais [42]. No meio ambiente, ele se encontra tanto na forma inorgânica quanto na forma orgânica, estando predominantemente nas formas de íon bivalente e até mesmo como íon tetravalente [43].
A contaminação das águas ocorre por meio de efluentes industriais, podendo também chegar ao meio ambiente através da deposição atmosférica e lixiviação do solo. O teor concentrado de Pb nos sedimentos está relacionado com a quantidade de matéria orgânica presente no corpo d’água, bem como o tamanho das partículas [36].
Por também ser considerado um elemento não essencial, o Pb pode acumular-se no organismo gerando efeitos deletérios como distúrbios no sistema nervoso, no sistema ósseo, doença cardiovascular, além de alterações nas funções renais e reprodutivas[44].
2.3.3 Cromo
O cromo, por sua vez, se encontra no ambiente aquático na forma solúvel de íon hexavalente, podendo ser convertido em íon trivalente, que é a forma que
26 apresenta maior velocidade de precipitação e adsorção pelas partículas suspensas e pelo sedimento de fundo. Na forma hexavalente, o Cr pode gerar danos como dermatites de contato, ulcerações crônicas, falência renal e perda de proteínas, além de ser considerado carcinogênico [45].
A poluição de solos ocorre como resultado dos dejetos de cromato, tais como os de curtumes ou eletropinturas. Por ser considerado um metal com interessantes características para a construção civil, é utilizado na fabricação de diversas estruturas, bem como ligas metálicas, pois confere resistência à oxidação, ao desgaste e ao atrito. Os compostos de Cr também são utilizados no ramo industrial, como na fabricação de tintas e pigmentos, preservantes de madeira e galvanoplastia [45].
O Cr e seus derivados são encontrados na natureza em solos, rochas, água, animais e plantas, podendo ser liberados através de intemperismo do material de origem, chegando aos sedimentos principalmente por meio de atividades de mineração, fertilizantes e resíduos industriais e urbanos [36] [46].
2.4 Preparo de amostras de sedimento
O preparo de amostra é uma das etapas mais críticas em uma sequência analítica, já que requer maior atenção, tempo e é onde estão inseridos os maiores custos e erros. Essa etapa é de suma importância na determinação de analitos em diferentes amostras, já que é nesta fase em que a amostra deve ser convertida em uma forma mais adequada para que as espécies químicas de interesse possam ser determinadas [47].
Em matrizes em que há grande quantidade de compostos orgânicos, pode-se aplicara decomposição em meio ácido, que torna possível a oxidação completa da matriz, propiciando a conversão dos elementos em cátions inorgânicos simples e não voláteis, permanecendo na solução ácida para a análise [48].
As amostras de sedimento são de difícil decomposição, já que se trata de uma matriz muito complexa. Para o preparo das mesmas, normalmente é requerido aquecimento e ataque de ácidos oxidantes fortes ou fusão alcalina [49].
27 Para a abertura desse tipo de amostra, vários métodos são descritos, sendo que todos abrangem a exposição dos sedimentos a ácido(s), onde os mais empregados são: HCl, HNO3, H2SO4, HF, H3PO4 e H3BO3.
O método EPA 3052 [50] consiste na decomposição total de matrizes complexas, como solos, lamas e sedimentos com tratamento ácido através da utilização de HNO3 e HF ou alternativas, como HCl e H2O2 em frasco fechado, aquecendo-se a amostra em sistema de micro-ondas.
Outra forma de preparação muito empregada na decomposição de amostras de sedimentos é o método EPA 3051a [51] para a determinação da maior parte dos metais, utilizando-se HNO3 concentrado, sendo necessária também a utilização de HCl para determinados metais.
O método EPA 3050b [52] pode ser usado na preparação de sedimentos em sistema aberto (chapa de aquecimento) com HNO3 ou HCl e H2O2, porém, em amostras com elementos ligados em estruturas de silicatos, não se recomenda a aplicação desse método, pois não ocorre a decomposição total das amostras.
Diversos estudos realizados com amostras de sedimento utilizando diferentes maneiras de preparo são descritos na literatura. Cotta e colaboradores [2] realizaram uma decomposição em bloco digestor com adição de HNO3 na presença de H2O2; Hortellani e colaboradores [53] utilizaram a decomposição em chapa de aquecimento com uso de HClO4; Torres e colaboradores [54] e Dias e colaboradores [55] realizaram a decomposição pela ação do HNO3 e HF e pelo uso de água régia em banho ultrassônico; Muhamed [56] empregou a decomposição em tubos de decomposição com uso de água régia; Arain e colaboradores [57] realizaram uma decomposição utilizando micro-ondas com adições de CH3COOH e H2O2; Caldas e Sanches Filho [12] realizaram uma decomposição através de uma chapa de aquecimento com adição de água régia (HCl:HNO3) e HClO4; Antunes e colaboradores [58], realizaram uma decomposição em bloco digestor através do uso de HNO3, HCl e H2O2; Melo e colaboradores [59] utilizaram HNO3 e HCl em uma decomposição em micro-ondas; Sandroni e colaboradores [60] utilizaram HNO3 e HF para a realização de uma decomposição através de micro-ondas.
28 2.4.1 Extração assistida por ultrassom
Nos últimos anos, houve um acentuado desenvolvimento de métodos que utilizam as ondas ultrassônicas para o preparo de diferentes amostras para posterior determinação de elementos por técnicas de espectrometria atômica [47].
As ondas ultrassônicas são ondas mecânicas com frequência maior que 16 KHz, onde se propagam sucessivos ciclos de compressão e rarefação através de qualquer meio material e que não podem ser sentidas pelo homem [61].
Em processos de decomposição das amostras, essas ondas promovem a desagregação e ruptura do material por meio da geração de microjatos, aumentando a superfície de reação e atividade química, a partir de espécies presentes no solvente, renovação do solvente na interface solvente-soluto sólido e, até mesmo, a fusão do sólido, devido às temperaturas extremas atingidas no momento do colapso das bolhas de cavitação [62].
Os líquidos, quando expostos a ondas ultrassônicas promovem o fenômeno da cavitação, que ocorre devido ao estresse induzido gerado no líquido quando este é irradiado por uma onda acústica de alta potência, acarretando na produção de bolhas micrométricas, porém, somente quando há implosão dessas microbolhas é que o fenômeno é realmente considerado [62].
Atualmente, as bolhas de cavitação produzidas por ondas ultrassônicas também têm sido utilizadas para acelerar a dissolução de sólidos em solução ácida, sendo uma alternativa simples e de baixo custo para o preparo da amostra de diferentes tipos. Assim, cada bolha em que ocorre a cavitação comporta-se como um reator de dimensões micrométricas, gerando microjatos de até 400 m s-1 que promovem o rompimento de ligações químicas das moléculas que penetram na bolha [63] [64].
A presença de sólidos no meio irradiado gera deformações na geometria das bolhas de cavitação e essa nova geometria faz com que quando ocorra a implosão dos microjatos eles sejam direcionados ao material particulado [47].
Na extração ou decomposição assistida por ultrassom, geralmente é utilizado um ácido diluído, que auxiliará na obtenção de menores valores de brancos e redução no consumo de reagentes, além de ser um método rápido quando comparado a outros. Este método, que utiliza sistema fechado e pressão atmosférica, permite o preparo de várias amostras, pois evita perda de analitos por
29 volatilização, possibilitando a determinação de elementos voláteis, além de evitar possíveis contaminações [65] [66].
Para o preparo de amostras de sedimentos, diversos estudos podem ser encontrados empregando ondas ultrassônicas, como os descritos por Elik Güngör [67] que utilizaram o ultrassom para extrair os metais Pb, Cu, Zn, Ni e Mn de através de e uma mistura de ácidos concentrados HNO3-HClO4-HF (2:1:1, v/v/v), utilizando um tempo de 25 minutos de sonicação; Canepari e colaboradores [68] utilizaram o ultrassom para extrair metais como Cd, Zn, Cu, Ni, Pb e Cr de amostras de sedimento utilizando como reagente o CH3COOH em um tempo de 15 a 60 minutos de sonicação; Ribeiro e colaboradores [69] determinaram Hg através da utilização de HNO3 ou (HCl:HNO3) e HF, sendo que o tempo de sonicação das mesmas foi de 30 minutos; Vieira e colaboradores [70] aplicaram a extração assistida por ultrassom como método de preparo de amostras de sedimento para posterior determinação de As através da utilização de água régia (HCl:HNO3) e HF, o tempo do banho ultrassônico foi de 30 minutos; Brunori e colaboradores [71] utilizaram as ondas ultrassônicas para determinar Cd, Cr, Cu, Ni e Zn através de uma decomposição utilizando HNO3, HF e H2O2, onde o tempo de sonicação foi de 30 minutos; Frena e colaboradores [72] utilizaram a extração assistida por ultrassom empregando como reagentes o HNO3 e HF para posterior determinação de As, Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Sn, V e Zn. Estudos esses que reforçam o poder da utilização deste tipo de preparo de amostra, auxiliando no desenvolvimento de método para determinação de metais em amostras ambientais, tendo em vista tempo e custos reduzidos.
2.5 Espectrometria de Absorção Atômica
A Espectrometria de Absorção Atômica é considerada uma técnica analítica bem sucedida, muito utilizada na determinação de diversos elementos que se encontram em baixas concentrações, que estejam no estado líquido, sólido, em suspensão e até mesmo gasoso.
A técnica baseia-se na capacidade de átomos gasosos e, em algumas vezes, no estado fundamental de absorver energia, a partir de uma fonte de radiação específica para cada elemento. Apresenta vantagens, como baixos custos operacionais e de equipamento, facilidade de operação e reduzido número de linhas
30 espectrais, acarretando, assim, em menores interferências [73]. Maiores detalhes a respeito da técnica podem ser encontrados no livro Atomic Absorption Spectrometry - terceira edição, escrito por Bernard Welz e Michael Sperling [74].
2.5.1 Espectrometria de Absorção Atômica com Forno de grafite
Dentre as técnicas mais comuns de atomização empregados na espectrometria de absorção atômica, pode-se citar a atomização por chama (FAAS) e forno de grafite (GFAAS).
A Espectrometria de Absorção Atômica com Forno de Grafite (GFAAS) é uma técnica empregada para determinação de elementos em quantidades traço (µg L-1), podendo ser aplicado em diversos tipos de amostras, as quais podem ser introduzidas diretamente na forma sólida, em suspensão ou na forma líquida [75]
[76].
Entre as vantagens da técnica, a alta sensibilidade é a que mais se destaca, sendo esta proporcionada pelo curto período em que todo analito é atomizado;
programa de aquecimento, com otimização das temperaturas de pirólise e atomização para cada tipo de elemento e de amostra, que auxiliam na eliminação do solvente e interferentes, diminuindo também possíveis efeitos de matriz, além de maior tempo de residência dos átomos no atomizador [74].
Na GF AAS o programa de temperatura utilizado para auxiliar na determinação de cada analito é utilizado para volatilizar os componentes da amostra de forma seletiva. Para tal é necessário elaborar um programa de aqucimento adequado, que compreende as seguintes etapas [74]:
Secagem: evaporação do solvente e constituintes da matriz;
Pirólise: eliminação da matriz da amostra;
Atomização: vaporização do analito na forma de átomos;
Limpeza: vaporização dos constituintes mesnos voláteis e remoção de possíveis contaminantes remanescentes.
A técnica conta ainda com a utilização de modificadores químicos, que apresentam como principal objetivo, melhorar a separação entre o analito e os concomitantes presentes na matriz da amostra em temperaturas elevadas de
31 pirólise, garantindo estabilidade térmica ao analito, ou tornar os concomitantes em espécies mais voláteis, melhorando a detecção dos analitos de interesse [77].
Existem dois tipos de modificadores, os químicos convencionais e os permanentes. Os primeiros são adicionados juntamente com a amostra líquida, ou aplicadas posteriormente da pesagem da amostra na plataforma, quando a amostra é sólida, já os modificadores permanentes, são soluções queatravés de uma sequência de queimas antes da introdução da amostra, fazem o recobrimento da superfície da plataforma ou da parede do forno de grafite [74] [78].
Algumas características são importantes para a escolha de um modificador químico: (a) estabilizar termicamente o elemento; (b) preservar a vida útil do tubo de grafite; (c) estar disponível em um elevado grau de pureza para evitar interferências;
(d) ser raramente determinado por GFAAS; (e) não afetar de forma negativa a sensibilidade da técnica; (f) não contribuir para a absorção de fundo; (g) não aumentar os limites de detecção e (h) deve possibilitar a aplicação em uma grande variedade de matrizes [74] [78].
2.6 Espectroscopia na região do Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR)
A Espectroscopia na região do Infravermelho é uma técnica analítica muito importante, sendo uma das suas grandes vantagens a análise de amostras variadas em praticamente qualquer estado físico, sejam elas, líquidos, soluções, pós, filmes, fibras, gases e superfícies, além de permitir também a análise desde moléculas pequenas até sistemas complexos como células e tecidos [79].
A técnica se baseia no fato de que as ligações químicas das substâncias possuem frequências de vibração específicas, as quais correspondem a níveis de energia da molécula chamados, nesse caso, de níveis vibracionais, onde para que uma determinada molécula absorva energia suas vibrações moleculares devem resultar numa alteração do momento dipolar [80].
A faixa de radiação do infravermelho, no espectro eletromagnético, ocorre na faixa entre o visível e micro-ondas. Desta forma, um raio monocromático de luz infravermelha atravessa a amostra e a quantidade de energia absorvida é
32 registrada, esta operação ocorre ao longo de uma faixa de comprimentos de onda de normalmente 4000-400 cm-1. O espectro gerado apresenta muitos picos de absorção, e a possibilidade de dois compostos terem o mesmo espectro é praticamente inexistente, assim, o espectro de infravermelho é considerado a
"impressão digital" da molécula [81].
A espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier é uma técnica onde é possível a obtenção de espectros com maior rapidez, gerando um somatório de espectros que garantem maior resolução, definição de sinais e exatidão nas análises [82].
Na análise de sedimentos, a espectroscopia no infravermelho é uma técnica que auxilia na caracterização desse material, podendo ser utilizada para avaliar a presença de grupamentos funcionais e também verificar a presença de compostos inorgânicos como argilominerais e sílica [81].
33 3. OBJETIVOS
3.1 Geral
O objetivo deste trabalho é dar continuidade ao trabalho realizado por Pinto [83] aplicando o método de extração assistida por ultrassom para o preparo de amostras de sedimentos, oriundas de diferentes locais do Canal São Gonçalo em Pelotas – RS, para posterior determinação de metais potencialmente tóxicos como Cd, Pb e Cr através da técnica de Espectrometria de Absorção Atômica com Forno de Grafite, com intuito de avaliar o grau de contaminação do Canal. Será também realizado o estudo da estrutura química das amostras de sedimento pela técnica de Espectroscopia de Infravermelho para fins de caracterização.
3.2 Específicos
- Preparar as amostras de sedimento do canal São Gonçalo utilizando a extração assistida por ultrassom;
- Estabelecer as melhores condições de análise para a determinação de Cd, Pb e Cr por GF AAS;
- Avaliar a precisão e exatidão do método desenvolvido através da análise de material de referência certificado de sedimento;
- Determinar as concentrações de Cd, Pb e Cr nas amostras de sedimento coletadas em todas as estações do ano de 2013 e no verão de 2014;
- Caracterizar as amostras de acordo com sua composição através da técnica de Espectroscopia de Infravermelho;
- Avaliar a influência sazonal dos pontos coletados com a
presença dos metais.
34
4. MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 Instrumentação
As determinações de Cd, Pb e Cr foram realizadas em ume espectrômetro de absorção atômica com forno de grafite modelo PinAAcle 900z (Perkin-Elmer, Walthan, EUA), equipado com corretor de fundo por efeito Zeeman longitudinal, auto-amostrador para forno AS 900, câmera colorida para forno (Tubeview) e atomizador com aquecimento transversal (THGA). Foram utilizadas, lâmpadas de cátodo oco Lumina (HCl’s) (Perkin Elmer, Walthan, EUA). Como gás de purga e proteção, foi utilizado argônio (Ar) com pureza de 99,996% (Linde, Barueri, SP).
As condições operacionais utilizadas para a determinação dos analitos estão apresentadas na Tabela 2.
Tabela 2: Condições operacionais para determinação de Cd, Pb e Cr.
Condições de trabalho Analito
Cd Pb Cr
Comprimento de onda (nm) 228,8 283,3 357,87
Corrente da lâmpada (mA) 4 10 25
Fenda espectral (nm) 0,7 0,7 0,7
Foi realizada a otimização do programa de tempo e temperatura com a finalidade de fixar as melhores condições para a determinação dos analitos pela técnica de GF AAS. As condições adotadas estão descritas na Tabela 3. A escolha da melhor condição foi baseada na intensidade do sinal de absorvância e observação de menores valores de fundo. Todas as determinações foram realizadas em triplicata e na presença de modificador químico. Através de uma micro câmera instalada no próprio espectrômetro, foi possível observar as etapas de secagem e de pirólise.
35 Tabela 3: Programa de tempo e temperatura do GF AAS para determinação de Cd, Pb, Cr em amostras de sedimento.
Etapas Temperatura (°C) Rampa (°C s-1)
Tempo de permanência (s)
Vazão do gás (L min-1)
Secagem 1* 110 10 30 250
Secagem 2* 130 10 30 250
Pirólise 750a; 500 b; 1400c 10 20 250
Atomização 1500a; 1300b; 2100c 0 5 0
Limpeza* 2450 1 3 250
*Estágios recomendados pelo fabricante do equipamento a: Pb; b: Cd; c: Cr
Todas as amostras foram pesadas utilizando uma balança analítica Ohaus Adventurer modelo AR 2140 (Pine Brook, Nova Jersey, EUA) com resolução de 0,1 mg e tara máxima de 210 g.
Para a extração dos metais no sedimento pelo método empregado, foi utilizada a energia de ondas ultrassônicas a partir de um banho ultrassônico modelo Elmasonic modelo S 40 (H) (140 W poder ultrassônico efetivo, 37 kHz frequência ultrassônica) (Elma, Singen, Alemanha).
A caracterização química das amostras de sedimento foi realizada através de um espectrômetro de infravermelho Shimadzu, modelo IRPrestige-21, sendo as medidas realizadas com 64 scans, na região de 4000 a 400 cm-1.
4.2 Reagentes
Os reagentes utilizados em todos os experimentos possuem grau analítico.
Para o preparo de todas as soluções, utilizou-se água deionizada, obtida através do processo realizado em uma coluna com resina de troca iônica. As soluções de trabalho para Cd e Pb e Cr foram preparadas por diluições feitas a partir de soluções estoque contendo 1000 mg L-1 Tritrisol® (Merck, Darmstadt, Alemanha).
36 Como modificador químico foi utilizada uma solução de Pd 10 g L-1 em HNO3
20% (v/v) (Perkin Elmer, Walthan, EUA) e Mg 1000 μg L-1 (Fluka, Buchs, Suiça), onde, durante as análises, foi pipetado um volume específico de cada uma das soluções.
Para o preparo das amostras, utilizou-se HNO3 65% (v/v) (Synth, Diadema, Brasil) bidestilado abaixo do seu ponto de ebulição em um destilador de quartzo MA- 075 (Marconi, Piracicaba, Brasil), HF 40% (v/v) (Vetec) e H3BO3 4,5% (m/v) preparado a partir do H3BO3 P.A. da Sigma.
Para caracterização das amostras de sedimento por Espectroscopia de Infravermelho, foi utilizado KBr (Synth) para o preparo das pastilhas, necessárias para a realização da análise.
Toda a vidraria e materiais de laboratório foram previamente limpos através de uma imersão dos mesmos em uma solução de HNO3 10% (v/v) por 48 horas, sendo posteriormente lavados com água deionizada e secos a temperatura ambiente.
4.3 Amostragem
As amostras de sedimento do Canal São Gonçalo analisadas neste trabalho foram as mesmas usadas por Pinto [83], sendo elas coletadas em diferentes pontos do Canal (Pontos 0, 1, 2, 3 e 4), nas quatro estações do ano de 2013, e no verão de 2014, totalizando 25 amostras. As datas de coleta das amostras foram: 12 de março, 04 de junho, 12 de agosto e 18 de novembro do ano de 2013 e 26 de fevereiro do ano de 2014.
Todos os pontos de coleta foram identificados com o auxílio de um GPS (Global Positioning System) modelo GarminEtrex Vista® H. Na Tabela 4 são definidos os pontos onde realizaram-se as coletas e na Figura 3 está a identificação dos mesmos.
37 Tabela 4: Descrição e georreferência dos pontos coletados [83].
Descrição dos pontos Latitude Longitude
P 0 Arroio Pelotas 31º76’14.72” 52º28’82.49”
P 1 Próximo a região da Balsa de
Pelotas 31º78’25.02” 52º31’89.03”
P 2 Entre o Porto de Pelotas e a
ponte que atravessa a BR 392 31º79’11.84” 52º34’86.73”
P 3 Próximo a barragem Eclusa do
São Gonçalo 31º82’03.16” 52º39’27.52”
P 4 Próximo a fazenda Paineira,
antes do rio Piratini 31º90’81.14” 52º38’12.98”
Figura 3: Pontos de coletas das amostras de sedimento no Canal São Gonçalo.
Fonte: Google Maps
38 As amostras de sedimento foram coletadas com o auxílio de uma draga de aço inoxidável do tipo “Van Veen”. Essa draga construída em aço inoxidável polido é muito utilizada para amostragem de fundos de areia, cascalho e argila, capaz de escavar substratos grossos devido ao seu peso elevado e sistema de alavanca.
O pegador Van Veen pode ser utilizado em ambiente marinho e estuarino, água doce, rios profundos e margens de reservatórios. Seu uso se dá em substrato grosso e duro (arenoso a cascalho), para ensaios químicos, toxicológicos, microbiológicos e de comunidades bentônicas [9].
A amostragem foi realizada coletando-se a camada de sedimento superficial (0 a 5 cm de profundidade). As amostras foram retiradas da porção central do material retido no pegador (sem contato com as paredes do mesmo), armazenado em potes de polietileno devidamente identificados e previamente descontaminados, colocados sob refrigeração à ± 4°C até transporte ao laboratório. Toda a vidraria utilizada permaneceu previamente em imersão por 48 h em HNO3 10% (v/v) e depois lavadas com água deionizada.
Após a coleta, foi realizado um tratamento preliminar das amostras de sedimento, de modo a deixá-las aptas para as análises. A primeira etapa consistiu em uma secagem de todas as amostras em estufa de secagem a uma temperatura de 60 °C e renovação de ar Tecnal modelo TE-394/2. Após, as mesmas foram submetidas à miniaturização, com utilização de gral e pistilo, para melhor homogeneidade. Em seguida, as amostras foram armazenadas a temperatura ambiente (em torno de 25 ºC) em frascos de polietileno previamente limpos e descontaminados.
4.4 Preparo das amostras de sedimento
O preparo das amostras de sedimento foi realizado conforme o procedimento proposto por Pinto [83], que realizou a determinação de Cu e Zn nas mesmas amostras utilizadas neste trabalho, como mencionado anteriormente.
Para extração dos metais Cd, Pb e Cr, foi utilizado HNO3, que é um forte agente oxidante responsável pela oxidação da matéria orgânica, e HF, que tem como função a remoção dos silicatos, presentes em grande quantidade nas amostras de sedimento. O H3BO3 foi adicionado no final de cada extração para
39 mascarar os íons fluoretos que possam permanecer na solução. Esse procedimento é realizado quando há compatibilidade com o método de determinação do analito de interesse. A reação do H3BO3 com o HF ocorre em duas etapas [47]:
H3BO3 + 3HF HBF3(OH) + H2O HBF3(OH) + HF HBF4 + H2O
O método utilizado para o preparo das amostras apresentou a seguinte sequência analítica: pesaram-se, em triplicata, aproximadamente 100 mg de sedimento em frascos graduados de polipropileno de 50 mL, e em seguida adicionaram-se2 mL de HNO3 65% (v/v) e 1 mL de HF 40 % (v/v). Após, os frascos foram fechados e colocados em banho ultrassônico por 1 h a 25ºC. Ao final da extração, as amostras foram retiradas do banho e adicionou-se 8mL de H3BO3, sendo o volume final aferido a 15 mL com água deionizada. Os brancos analíticos foram preparados de maneira similar.
As curvas de calibração foram construídas a partir de soluções de calibração de cada analito, em meio de HNO3 2% (v/v).
Após o processo de extração dos analitos das amostras, 20 μL de cada solução foi introduzida no interior do tubo de grafite, seguido do programa de tempo e temperatura específico para cada elemento. Em cada análise dos padrões e amostras, foi adicionado como modificador químico uma mistura de 5 μg de Pd + 3 μg de Mg para a determinação da concentração de Pb e Cd e 3 μg de Mg para a determinação de Cr.
Como a acidez das amostras ficou elevada (aproximadamente 13,3% (v/v)), antes das medições, efetuou-se diluições das mesmas de modo que a concentração do ácido ficasse em torno de 2% (v/v) para aumentar o tempo de vida dos tubos de grafite, sem prejudicar a precisão das análises.
Para verificar a exatidão do método de extração assistida por ultrassom, foram utilizados dois materiais de referência certificados, SRM 2704a (Buffalo River Sediment, NIST, Gaithersburg, EUA) e BCR 667 (EstuarineSediment, IRMM, Geel, Bélgica).
40 4.5 Tratamento Estatístico
O tratamento estatístico foi aplicado para avaliar a diferença entre as médias obtidas para cada metal, nos diferentes períodos de coleta de cada ponto. Para este fim, realizou-se ANOVA e teste Tukey ao nível de 5% de significância utilizando o software Origin 8.
Para obter uma maior confiabilidade do método utilizado, aplicou-se o teste t para os CRMs estudados, a fim de mostrar se houve diferença significativa entre o valor certificado e o valor encontrado no estudo. Todos os tratamentos estatísticos foram avaliados pela análise de variância com dois fatores, com um nível de significância de 5%.
4.6. Parâmetros de Mérito
Os parâmetros de mérito avaliados neste trabalho foram: linearidade, limites de detecção e quantificação, precisão e exatidão.
A linearidade foi avaliada pelo cálculo do coeficiente de correlação da curva de calibração (R2). Foram consideradas como satisfatórias as curvas com valores de R2 maiores ou iguais a 0,99.
Para a obtenção dos valores dos limites de detecção e quantificação do método, foram analisados os brancos analíticos de cada analito e os mesmos foram calculados de acordo com as definições:
O Limite de Detecção (LD) corresponde à quantidade mínima que é possível ser detectada de um analito, isto é, é a menor concentração do analito que pode ser detectada com segurança, diferenciando-se do branco analítico. Este parâmetro é calculado conforme a Equação 1.
LD = 3 σ / a Equação 1
Onde:
σ: é o desvio padrão das dez medidas do branco a: é o coeficiente angular da curva de calibração
41 O Limite de Quantificação (LQ) é conhecido como a menor concentração de um analito que pode ser determinada com um erro menor que 5%. Este parâmetro é calculado de acordo com a Equação 2.
LQ = 10 σ / a Equação 2
Onde:
σ: é o desvio padrão das dez medidas do branco;
a: é o coeficiente angular da curva da curva de calibração.
A precisão de um método analítico é verificada através do valor do desvio padrão relativo (RSD) sendo obtida através da Equação 3:
RSD (%) = (SD/X) .100 Equação 3
Onde:
SD: é igual à estimativa de desvio padrão das medidas, X: é igual à concentração média das medidas.
O desvio padrão é obtido conforme demonstrado na Equação 4:
Equação 4
42 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1 Otimização do programa de aquecimento do forno de grafite
A otimização das temperaturas de pirólise e de atomização para os três analitos investigados (Cd, Pb e Cr) foi realizada a partir de uma solução contendo a própria amostra, preparada a partir da extração assistida por ultrassom, a fim de se obter uma resposta analítica mais confiável e preservar o tubo de grafite.
Para o estudo dos elementos Cd e Pb fez-se uso de modificador químico com a adição da mistura de Pd(NO3)2 e Mg(NO3)2, enquanto que para o Cr utilizou-se apenas o Mg(NO3)2, condições estas recomendadas pelo fabricante do GF AAS.
Os testes foram realizados somente com a adição de modificador químico, visto que sua eficácia na estabilização térmica do elemento já está bem consolidada na literatura. A escolha dos modificadores químicos Pd(NO3)2 e Mg(NO3)2 baseou-se na grande afinidade destes modificadores com uma ampla gama de elementos, sendo então considerados como “modificadores universais” [78]. Este fator é muito importante, uma vez que irá influenciar na eficácia da separação do analito da matriz, podendo ser empregadas temperaturas de pirólise mais elevadas e permitindo apenas a eliminação dos concomitantes da matriz [77].
5.1.1 Curvas de pirólise e atomização para Cd, Pb e Cr
As curvas foram obtidas levando-se em consideração melhor sinais analíticos e menores valores de fundo, detectados através de observação visual.
O estudo da pirólise, para a determinação de Cd foi realizado em uma faixa de temperatura que variou entre 300 a 700 °C. Já para o Pb as temperaturas investigadas variaram de 650 a 1050ºC e para a determinação de Cr o estudo da temperatura de pirólise foi realizado em uma faixa que variou entre 1300 a 1700 °C
O estudo da melhor temperatura de atomização foi realizada em uma faixa que variou de 1200 a 1700 °C para Cd, de 1400 a 1800 °C para Pb e de 2000 a 2500 °C para Cr. A Figura 4 apresenta as curvas obtidas para os três analitos, na
43 qual é possível observar o sinal de absorvância integrada variando de acordo com a temperatura empregada.
Figura 4: Curvas de pirólise ( ) e atomização ( ) para Cd, Pb e Cr em amostras de sedimento.
De acordo com a Figura 4, as melhores temperaturas de pirólise e atomização para Cd foram de 500 °C e 1300 °C. Já para a determinação de Pb, a temperatura de pirólise considerada ideal foi de 750 °C e para a temperatura de atomização foi observado que o sinal analítico mais intenso apresentou-se entre as temperaturas de 1500 e 1600 °C, neste caso, optou-se por escolher a temperatura de 1500 °C, já que a determinação do analito não sofreria variação até 1600 °C, além de preservar o tubo de grafite.
Para a determinação de Cr, na temperatura de 1400 ºC para a pirólise é possível observar um maior sinal de absorvância integrada, já para a atomização, é possível o observar que a temperatura que apresentou maior sinal analítico foi a de 2100 °C.
