Análise “on-site”: uma nova abordagem para o

09 a 11 de dezembro de 2015
Auditório da Universidade UNIT
Aracaju - SE
INSTRUÇÕES PARA A ELABORAÇÃO DE TRABALHOS COMPLETOS
Análise “on-site”: uma nova abordagem para o monitoramento
de espécies metálicas em ambientes aquáticos
ID 196
Resumo
Adnívia Santos Costa Monteiro , André Henrique Rosa , Corinne Parat , José Paulo Pinheiro
1
1
2
3
(1) Universidade
Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (UNESP); Sorocaba, São Paulo;
Université de Pau et des Pays de l’Adour, Pau; France.
(3)Professor; Ecole Nationale Supérieure de Géologie (E.N.S.G.) Université de Lorraine; Nancy; França;
(2) Pesquisadora;
RESUMO
Basicamente três procedimentos têm sido utilizados no monitoramento e caracterização da qualidade de água. A
maioria utiliza após a amostragem, o armazenamento, tratamento e análise em laboratório. Este procedimento é
oneroso, podendo alterar as características originais da amostra. Um segundo procedimento denominado “on-site”
consiste em experimentos feitos próximos às margens do manancial e imediatamente após amostragem, geralmente,
utilizam procedimentos e instrumentos previamente testados em laboratório e adaptados às condições de campo, sendo
ideais para medidas em tempo real e minimizando a possível contaminação gerada durante o armazenamento da
amostra. Um terceiro procedimento, o qual ainda está em desenvolvimento e desta forma tem sido pouco utilizado, é
denominado “in-situ”. Em termos de sistemas portáteis para especiação de metais os dispositivos eletroquímicos são os
mais vantajosos, dentre outros fatores, por apresentarem um dos limites de detecção mais baixos disponíveis para
determinações de metais traço, da ordem de nmoL L , como por exemplo, a cronopotenciometria de redissolução
anódica (SCP). Neste trabalho, propomos uma metodologia para realizar a quantificação de metal total e de metal livre
ambos por técnicas eletroquímicas e sua comparação com a ultrafiltração tangencial com detecção eletroquímica que
pode ser facilmente realizada “on-site”, avaliando a influência do tipo de matéria orgânica natural (MON) na especiação
do Cd. A metodologia proposta foi aplicada fazendo adição de cádmio em duas amostras de águas naturais, rio
Itapanhaú e Sorocabinha localizados no Estado de São Paulo. Os resultados de metal total obtidos pelas técnicas SCP e
pela espectrometria de absorção atômica com atomização em forno de grafite (GF-AAS) apresentaram uma boa
concordância (recuperação entre 87-97%). Os resultados de metal livre obtido diretamente através da técnica de
redissolução nernstiana na ausência de gradientes (AGNES) e no ultrafiltrado são concordantes no rio Itapanhaú
enquanto no Sorocabinha o ultrafiltrado é cerca do dobro do obtido por AGNES, o que se deve provavelmente à maior
quantidade de ligantes inorgânicos neste rio devido à sua proximidade do mar.
-1
Palavras-chave: especiação, ultrafiltração, técnicas eletroanalíticas.
1
1.
INTRODUÇÃO
Os metais traço podem ser encontrados no ambiente aquático associados ao material particulado em suspensão e à
fração dissolvida na forma de íons livres hidratados e complexados a ligantes orgânicos (macromoléculas ou ligantes
coloidais, por exemplo, aminoácidos, carboidratos, ácidos húmicos e fúlvicos) e inorgânicos (HCO 3-, CO32-, SO42-, HS-,
Cl-, OH-), apresentando-se assim, em uma variedade de formas físico-químicas, que governam seu transporte,
biodisponibilidade, mobilidade e toxicidade frente à biota aquática. Nesses ambientes, a toxicidade está relacionada às
espécies mais biodisponíveis, principalmente com a atividade do íon metálico livre, no entanto, apenas uma pequena
fração dos metais dissolvidos se encontra na forma de cátions livres, visto que estes interagem com microrganismos e
formam complexos estáveis com uma variedade de ligantes presentes na água [1]. Logo, avaliar a concentração total de
um metal é um parâmetro importante, porém limitado para inferir sobre seu comportamento e destino no ambiente,
assim como sobre seus reais impactos na biota aquática, como se acreditava no passado [2].
Dessa maneira, o estudo e o conhecimento de como essas formas influenciam no ambiente aquático, denominado
de especiação química (distribuição das diferentes espécies de um dado elemento químico em uma amostra), fornece
informações importantes do ponto de vista ecotoxicológico, pois permite fazer uma avaliação real da presença de metais
potencialmente tóxicos em ambientes aquáticos [3].
Uma das abordagens utilizada para estudar a especiação de metais em águas naturais é a ultrafiltração em fluxo
tangencial (UF). O ultrafiltrado é geralmente definido como a fração livre, embora os íons podem aparecer
complexados à pequenos ligantes orgânicos ou inorgânicos [4]. Nesta técnica as amostras são coletadas e em seguida,
transportadas para o laboratório para filtração e posterior quantificação, por espectrometria de absorção atômica com
atomização em forno de grafite (GF-AAS) e/ou espectrometria de emissão atômica com plasma indutivamente acoplado
(ICP OES), por exemplo. A coleta e manuseio das amostras podem induzir mudanças na especiação, devido à
possibilidade de contaminações ou perda das espécies de interesse. Nesse sentido, as medidas “on site”, são desejáveis,
pois além de minimizar adulterações da amostra original, podem possibilitar análise em tempo real, em localidades de
difícil acesso e a redução do custo analítico.
Em termos de sistemas portáteis para especiação de metais os dispositivos eletroquímicos são os mais vantajosos,
dentre outros fatores, por apresentarem um dos limites de detecção mais baixos disponíveis para determinações de
metais traço, da ordem de nmoL L , como por exemplo, a cronopotenciometria de redissolução anódica (SCP) e a
técnica de redissolução nernstiana na ausência de gradientes (AGNES). A SCP é insensível às interferências de
adsorção orgânica, sendo o sinal analítico obtido unicamente a espécies metálicas definidas como lábeis, sendo possível
ainda a determinação da concentração total do metal após a acidificação da amostra. Já a AGNES, é utilizada para a
determinação direta da concentração de metal livre [5].
-1
2. OBJETIVO
Desenvolver uma metodologia para quantificar o metal total (numa amostra acidificada) e o metal livre em águas
naturais, ambos por técnicas eletroquímicas e validar por meio da comparação dos resultados obtidos com o GF-AAS e
com a ultrafiltração tangencial com detecção por SCP (UF-SCP) e UF/GF-AAS, visando futuramente à aplicação da
metodologia em sistemas portáteis “on-site”.
3. MÉTODOS E MATERIAIS
Duas áreas de estudo, rio Itapanhaú e Sorocabinha, Figura 1, foram escolhidas a fim de investigar e comparar a
influência de ambientes diferentes, na formação da matéria orgânica e sua interação com o Cd. O rio Itapanhaú está
localizado no Parque Estadual da Serra (24°41’59” e 47°35’43.68”), situando-se na 7ª Unidade de Gerenciamento de
Recursos Hídricos, município de Bertioga-SP. Já o rio Sorocabinha situa-se na cidade de Iguape-SP, (23°50’23” e
46°08’21”), e é um dos afluentes do Rio Ribeiro de Iguape, localizado próximo à Estação Ecológica da Jureia, situandose na 11ª Unidade de Gerenciamento de Recursos Hídricos - Ribeira do Iguape-litoral Sul.
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Figura 1. Localização da área de Estudo.
3.1. Experimentos de Ultrafiltração
Os ensaios de ultrafiltração foram realizados após spike de Cd2+ (a partir da solução padrão), em aproximadamente
1000 mL das amostras “in natura”, dos Rios Itapanhaú e Sorocabinha cujas concentrações naturais de carbono
orgânico dissolvido (COD) eram de 13,97 e 16,80 mg L-1, respectivamente. Durante todo o experimento as amostras
ficaram em agitação constante, foi mantido o pH natural das amostras, 6,2 para as amostras do Rio Itapanhaú e 6,7 para
o Rio Sorocabinha, ajustando-o com solução de NaOH 1.0 mol L-1, quando necessário, e a força iônica foi mantida em
0.01 mol L-1 para ambas amostras. O sistema de ultrafiltração, foi equipado com membrana de celulose regenerada de
1kDa e 76 mm de diâmetro.
Antes do spike da solução de Cd2+, deixou-se o sistema bombeando por cerca de quinze minutos para
condicionamento da membrana e foi retirada uma alíquota da amostra para a quantificação do Cd total originalmente
presente na amostra. Em seguida, filtrou-se a primeira alíquota, que corresponde à fração inicial de cd “livre” mais a
fração ligada a compostos com tamanho molecular menor que 1 kDa presente na amostra. Após a coleta dos filtrados,
volumes de 80 a 305 μL de solução padrão de Cd 2+ 8,90x10-4 mol L-1 foram adicionados às amostras “in natura”
denominada de amostra “MÃE”, para obter solução final com 0,7; 1,5; 2,4 e 3,2 x10-7 mol L-1 de Cd. Depois de 15
minutos de cada adição de metal, retirou-se alíquotas dessa amostra, para os testes de recuperação do Cádmio total
adicionado e posterior comparação dos resultados obtidos através das técnicas SCP e GF-AAS. Após intervalos de 20
minutos, para o estabelecimento do equilíbrio dos íons Cd 2+ adicionados, cerca de 25 mL da amostra “MÃE” e 25 mL
da amostra ultrafiltrada foram coletados para a determinação da concentração do Cd total por SCP e GF-AAS, e do Cd
livre por AGNES. Para a determinação do Cd total adicionado na amostra MÃE e a determinação do Cd “total livre”
após ultrafiltração por SCP cerca de 20 mL da amostra foi acidificada previamente com 0,2 mL de HNO3 1 mol L-1,
sendo nomeadas respectivamente, como MÃE acidificada e UF acidificada.
3
3.2. Experimentos de SCP e AGNES
Os experimentos de SCP e AGNES foram realizados, utilizando um galvanostato/potenciostato Autolab PGStat 12
acoplado ao Metrohm 663 VA Stand e a um computador utilizando o software GPES 4.8 (Eco Chemie). As condições
experimentais serão detalhadas a seguir:

SCP: Potencial de deposição -0,78 V, tempo de deposição (td) 45s, corrente stripping (Is) 2.5×10-6 A, aplicada
até o potencial alcançar -0,30 V.

AGNES: As medidas foram realizadas aplicando um potencial de deposição E1 -0.72 V por um período de
tempo t1 de 240 s. A etapa de reoxidação foi realizada através da SCP com as mesmas condições acima. A
velocidade de rotação foi de 1000 rpm.
Spike Cd (x 10-7mol L-1)
0,7
1,5
2,4
3,2
Filtração em 0,45µm
200 µL
de HNO3
200 µL de HNO3
1 mol L-1
AGNES
(a) “MÃE”
Acidificada
SCP
Metal Total
(b) “MÃE”
Metal Livre
SCP
(c) Ultrafiltrada (UF)
Acidificada
Metal Livre + Pequenos
complexos inorgânicos
A validação Analítica do método proposto foi realizada por comparação
dos resultados obtidos por GF-AAS em (a) e (c);
Figura 2. Resumo do desenvolvimento analítico do método proposto neste trabalho.
4
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Tabela 1 exibe os resultados da concentração total do íon cádmio e a porcentagem de recuperação obtidas por
SCP e GF-AAS nas amostras estudadas. Os resultados evidenciam que a técnica eletroanalítica SCP pode ser uma nova
ferramenta analítica para análise “on-site”, uma vez que, comparando os resultados obtidos por esta técnica com os
encontrados por GF-AAS após o spike na amostra MÃE, as porcentagens de recuperação se mostraram satisfatórias e
variaram de 85-106%, confirmando o bom desempenho do método proposto. Além disso, estes resultados evidenciaram
que a presença da matéria orgânica presente nos rios Sorocabinha e Itapanhaú, não interferiram na determinação total
do Cd por SCP, confirmando assim a potencialidade da aplicação dessa técnica em campo, uma vez que, não se faz
necessário a aplicação de métodos prévios para a destruição da matéria orgânica.
Tabela 1. Resultados da determinação de Cd total (n=3) por SCP e GF-AAS nas amostras coletadas nos rios
Sorocabinha e Itapanhaú.
Rio
Spike
MÃE
10-7 mol L-1
SCP
10-7 mol L-1
Recuperação
(%)
GF-AAS
10-7 mol L-1
Recuperação
(%)
Itapanhaú
0.73
0.75
102
0.72
97
1.54
1.43
93
1.35
88
2.38
2.53
106
2.09
88
3.26
2.96
91
2.98
91
Sorocabinha
0.75
0.68
91
0.70
93
Sorocabinha
1.57
1.33
85
1.44
92
Sorocabinha
2.43
2.42
100
2.24
92
Sorocabinha
3.34
3.35
100
2.84
85
Itapanhaú
Itapanhaú
Itapanhaú
-7
-1
Concentração Determinada (10 mol L )
A precisão da SCP foi avaliada através da comparação das replicatas (n=3) obtidas nesta técnica com as replicatas
do GF-AAS. Os valores do declive e os coeficientes de correlação, exibidos na Figura 3, mostram que a SCP é tão
precisa quanto o GF-ASS para a quantificação do metal total nestas amostras.
Y=0,953x
R2=0,976
SCP
Y=0,892x
R2=0,995
GF-AAS
-7
-1
Concentração Adicionada (10 mol L )
Figura 3. Comparação das medidas (n=3) de Cd total obtidas por SCP e GF-AAS após Spike.
5
A Tabela 2 mostra as concentrações do Cd “livre” medido por SCP e GF-AAS após a ultrafiltração (UF) das
amostras dos rios Sorocabinha e Itapanhaú. Os resultados obtidos com as duas técnicas apresentaram-se concordantes,
evidenciando o bom desempenho do método proposto por SCP para esse tipo de análise e que se houver a possibilidade
de levar o sistema de ultrafiltração para campo pode-se usar a SCP como técnica de quantificação das espécies livres,
minimizando assim, a possibilidade de adulteração da amostra durante o transporte e armazenamento da amostra.
É possível observar que apenas parte do metal total adicionado apresenta-se na forma “livre” ou complexados a
compostos de tamanho menor que 1kDa, evidenciando que a afinidade da matéria orgânica dissolvida presente
naturalmente no ambiente e que fica retida na membrana de 1kDa em complexar o Cd. Uma outra observação
interessante, é que embora os valores de pH e COD serem semelhantes em ambas amostras, o “metal livre” medido nas
amostras UF é mais elevado nas amostras do rio Sorocabinha comparada com as do rio Itapanhaú.
Tabela 2. Comparação dos resultados obtidos por SCP e GF-AAS após a ultrafiltração das amostras dos rios
Sorocabinha e Itapanhaú.
Metal Total adicionado na
UF
“MÃE”
SCP
(10-7M)
(10-7M)
Rio Itapanhaú
0.3
0.7
0.5
1.5
UF
GF-AAS
(10-7M)
0.2
0.5
2.4
3.2
1.0
1.3
0.9
0.9*
0.7
1.5
Rio Sorocabinha
0.4
0.9
0.5
0.9
2.4
1.4
1.4
3.2
1.8
1.9
A Tabela 3 exibe a comparação da determinação do Cd nas amostras ultrafiltradas com detecção por SCP (UF-SCP)
que representa o Cd que pode está na sua forma livre ou complexados a ligantes menores que 1kDa com os resultados
do Cd livre medido diretamente nas amostras “MÃES” por AGNES, técnica onde sinal gerado é proporcional às
espécies livres apenas. Com os resultados foi possível fazer as seguintes observações:
1) para o rio Itapanhaú, o metal livre determinado por AGNES e por UF-SCP são semelhantes, já para o rio
Sorocabinha o metal livre determinado por AGNES é menor do que o determinado pela UF-SCP, possivelmente
porque este rio deve apresentar uma maior concentração de pequenos ligantes inorgânicos comparado ao o rio
Itapanhaú, capazes de permear a membrana de 1kDa e por isso, a medida de UF-SCP é mais elevada que a medida do
metal verdadeiramente livre obtida por AGNES na amostra MÃE. Esta suposição está associada ao fato de o rio
Sorocabinha apresentar uma condutividade muito superior (1043µS cm-1) em relação à encontrada no Itapanhaú (189
µS cm-1).
2) A concentração do metal na fração ultrafiltrada do rio Sorocabinha é aproximadamente o dobro da encontrada no rio
Itapanhaú, enquanto que a sua concentração livre medida por AGNES na “MÃE” é menor. Esta observação sugere que
a especiação Cd é diferente em ambas as amostras de rio, sendo controlada principalmente pela matéria orgânica no rio
Itapanhaú, enquanto no rio Sorocabinha, além da contribuição da matéria orgânica, a presença dos pequenos ligantes
inorgânicos influenciou de maneira significativa e devem ser levados em consideração.
6
Tabela 3. Determinação de Cd livre nas águas dos rios Sorocabinha e Itapanhaú, utilizando duas abordagens
analíticas, UF-SCP e AGNES.
Spike Cd (10-7M)
0,72
1,51
2,33
3,19
Rio Itapanhaú
Metal Livre Cd (mol L-1)
UF-SCP
AGNES
(10-7M)
(10-7M)
0.23
0.26
0.45
0.48
0.95
0.94
1.42
1.28
Rio Sorocabinha
UF-SCP
(10-7M)
0.47
0.87
1.40
1.88
AGNES
(10-7M)
0.18
0.34
0.65
1.04
5. CONCLUSÃO
A metodologia proposta neste trabalho e validada em laboratório foi eficiente para a determinação do Cd total em
uma amostra acidificada por SCP e para a determinação do Cd livre tanto por UF-SCP quanto por AGNES sendo capaz
de fornecer informações válidas a respeito da especiação do Cd em ambientes naturais, além de determinações precisas
e confiáveis. Dessa forma, o método pode ser aplicado facilmente em análises “on-site”, utilizando sistemas portáteis e
dessa forma, permite a análise em tempo real, minimizando assim, possíveis adulterações da amostra original, além de
facilitar o monitoramento das espécies metálicas em ambientes aquáticos.
6. RECONHECIMENTOS
Os autores agradecem às agências de fomento FAPESP, CNPQ, CAPES, FCT-ANR/AAG-MAA/0065/2012 e Blanc
International II - SIMI 6 pelo suporte financeiro.
7. REFERÊNCIAS
[1] BUFFLE, J. “Complexation reactions in aquatic systems: an analytical approach.” New York: Ellis Horwood, p.
692, 1990.
[2]JAMALI, M. K.; KAZIA, T. G.; ARAINA, M. B.; AFRIDI, H. I.; JALBANI, N.; KANDHOROA, A.Q.S.; BAIGA,
J.A. Speciation of heavy metals in untreated sewage sludge by using microwave assisted sequential extraction
procedure. Journal of Hazardous Materials (2009) 163:1157–1164, 2009.
[3] DE JONGE, M.; LOFTS, S.; BERVOETS, L.; BLUST, R. Relating metal exposure and chemical speciation to trace
metal accumulation in aquatic insects under natural field conditions. Science of the Total Environment (2014) 496:11–
21.
[4] TONELLO, P. S.; ROSA, A. H.; ABREU JR, C. H.; MENEGÁRIO, A. A. Use of diffusive gradients in thin films
and tangential flow ultrafiltration for fractionation of Al(III) and Cu(II) in organic-rich river waters. Analytica Chimica
Acta, (2007) 598:162-168.
[5] VAN LEEUWEN, H. P.; TOWN, R. M. Electrochemical metal speciation analysis of chemically heterogeneous
samples: the outstanding features of stripping chronopotentiometry at scanned deposition potential. Environmental
Science & Technology (2003) 37:3945-3952.
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