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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA Joyce Nunes Bianchin CARACTERIZAÇÃO E UTILIZAÇÃO DE NOVOS BIOSSORVENTES PARA A DETERMINAÇÃO DE METAIS EM MATRIZES BIOLÓGICAS E AMBIENTAIS Florianópolis 2011

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA Joyce Nunes Bianchin CARACTERIZAÇÃO E UTILIZAÇÃO DE NOVOS BIOSSORVENTES PARA A DETERMINAÇÃO DE METAIS EM MATRIZES BIOLÓGICAS E AMBIENTAIS Dissertação aprovada como requisito para obtenção do grau de mestre em Química no Programa de Pós-graduação em Química da Universidade Federal de Santa Catarina. Orientador: Prof. Dr. Eduardo Carasek da Rocha Florianópolis 2011

3 Dê-me uma alavanca e um ponto de apoio e moverei o mundo. (Arquimedes 287 A.C))

4 Dedico este trabalho às pessoas que sempre estiveram ao meu lado, entre elas minha mãe Neusa, meu esposo Julio, e meus sogros Rose e Julio.

5 Agradecimentos Primeiramente a Deus, pela minha existência, fé, perseverança e suporte espiritual. Ao meu orientador Prof. Dr. Eduardo Carasek, pela paciência e dedicação inesgotáveis. Especialmente ao meu co-orientador e amigo, Edmar Martendal, o qual permaneceu ao meu lado durante toda minha trajetória acadêmica, me dando todo o suporte necessário para a realização deste trabalho. Aos colegas de laboratório Jeferson, Kalya, Gizelle, Yasmin, Silvane, Renata, Ivan, e principalmente a Cristine e Giuliana, pela amizade e companheirismo. A Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo apoio financeiro. Ao Departamento de Química da Universidade Federal de Santa Catarina pelo suporte na realização deste trabalho. Ao meu esposo Julio, que sempre esteve ao meu lado em todos os momentos difíceis, me apoiando e me dando suporte emocional. A minha mãe Neusa, meu porto seguro, que mesmo longe esteve presente durante todo o tempo, a minha vó Iracy e minhas irmãs Natalia e Andreia pelo apoio durante toda minha vida. A minha sogra Rose, meu sogro Julio, e a minha cunhada Denise os quais além da amizade me deram apoio, abrigo e todo o suporte necessário durante todos esses anos.

6 Sumário Resumo...i Abstract...ii Lista de figuras...iii Lista de tabelas...v Lista de abreviaturas...vi 1. Introdução 1.1 Aspectos relevantes sobre os metais Espectrometria de absorção atômica em chama Extração em fase sólida Biossorventes Análise por injeção em fluxo Otimização multivariada Objetivos 2.1 Objetivo geral Objetivos específicos Capítulo 1- Biossorvente produto da digestão do cupim 3.1 Introdução Parte experimental Instrumentação Reagentes e soluções Preparo das amostras Sistema de pré-concentração em linha Ponto de carga zero Resultados e discussão Caracterização do biossorvente produto da digestão do cupim Otimização da metodologia Validação da metodologia Aplicação analítica do método proposto Conclusões parciais Capitulo 2- Biossorvente rolha de cortiça 4.1 Introdução Parte experimental Instrumentação...29

7 4.2.2 Reagentes e soluções Preparo das amostras Resultados e discussão Caracterização do biossorvente rolha de cortiça Otimização da metodologia Validação da metodologia Aplicação analítica do método proposto Conclusões parciais Conclusões e considerações finais...42 Referências bibliográficas...44

8 i Resumo Este trabalho apresenta a caracterização e aplicação dos novos biossorventes, produto da digestão do cupim e rolha de cortiça, para a determinação de metais em matrizes biológica e ambientais. A caracterização destes materiais foi feita por espectroscopia de infravermelho, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia por dispersão de energia, análise elementar e ponto isoelétrico. As metodologias desenvolvidas neste trabalho empregaram um sistema de extração em fase sólida acoplada com sistema de injeção em fluxo e detecção por espectrometria de absorção atômica em chama. As variáveis químicas e de fluxo do sistema em linha foram otimizadas através de procedimentos multivariados para cada biosorvente estudado. Os fatores selecionados para ambos biosorventes foram a massa do biossorvente, ph da amostra, tipo e concentração de tampão e vazão da amostra. O biossorvente produto da digestão do cupim foi utilizado para a determinação de cádmio em água e amostras biológicas, e cromo em álcool combustível. Após a otimização das variáveis, os seguintes parâmetros analíticos de mérito foram obtidos: limite de detecção de 1,7 μg L -1, coeficiente de correlação 0,9992, desvio padrão menor 2,3% e fator de enriquecimento de 12 vezes. Recuperação entre % foram obtidos utilizando diferentes amostras de água e de álcool combustível. Materiais biológicos certificados (TORT2, DORM3 e BCR186) foram analisados e os valores de cádmio encontrados foram bastante semelhantes ao certificado, demonstrando a exatidão da metodologia. O biossorvente rolha de cortiça foi utilizado para a determinação de cádmio em amostras de cigarro. Após a otimização das variáveis, os parâmetros analíticos de mérito obtidos foram: limite de detecção 0,9 μg L -1, coeficiente de correlação 0,9987, desvio padrão 4,3% e fator de enriquecimento de 10 vezes. Palavras chave: biossorvente, produto da digestão do cupim, rolha de cortiça, cádmio, cromo, extração em fase sólida, espectrometria de absorção atômica em chama.

9 ii Abstract This work shows the characterization and application of new biosorbents for metal ions determination in biological and environmental samples. Infrared spectrometry, electronic scan microscopy, energy dispersion spectrometry, elemental analysis, and isoelectric point were used to characterize the sorbents materials. The methodologies developed in this work use these biosorbents in a solid phase extraction system coupled with a flow injection system and detection by flame atomic absorption spectrometry. The chemical and flow variables of the system were optimized by multivariate techniques. The selected factors for both studies were biosorbent mass, sample ph, sort and concentration of buffer solutions and sample flow rate. The biosorbent product of termite s digestion was used for cadmium determination in aqueous samples and biological samples, and chromium in fuel alcohol. After optimization of variables, the analytical figures of merit were obtained: detection limit 1.7 μg L -1, correlation coefficient , standard deviance lesser than 2.3% and enrichment factor of 12 times. Recuperation tests were made using aqueous samples and fuel alcohol leading to range of %. Biological certified reference materials (TORT2, DORM3, BCR186) were analysed and the results were in good agreement with the certified value of cadmium. The cork stopper biosorbent was used for determination of cadmium in cigarette samples. After the optimization of the variables the analytical figures of merit were obtained: detection limit of 0.9 μg L -1, correlation coefficient of , standard deviance of 4.3% and enrichment factor of 10 times. Keywords: biosorbent, termite digestion product, cork stopper, cadmium, chromium, solid phase extraction, flame atomic absorption spectrometry.

10 iii Lista de Figuras Figura 1. Diagrama esquemático de uma mini-coluna onde: T é o tubo de Tygon e P é o tubo de politetrafluoretileno (PTFE) usados como conexões, S é o sorvente e F é a lã de vidro (funciona como filtro...3 Figura 2. Sistema de pré-concentração em linha. (A): etapa de préconcentração e (B): etapa de eluição. V: válvula, L: via aberta, D: via fechada, MC: minicoluna contendo o adsorvente, R: retorno do fluxo da amostra ou eluente. Círculo hachurado: válvula ligada e círculo em branco: válvula desligada...13 Figura 3A. Espectro de infravermelho do biossorvente produto da digestão do cupim, obtido experimentalmente...15 Figura 3B. Espectro de infravermelho da lignina, encontrado na literatura...16 Figura 4. Microscopia eletrônica de varredura do biossorvente produto da digestão do cupim...17 Figura 5. Dados obtidos através da análise semi-quantitativa do MEV- EDS do sorvente produto da digestão do cupim...17 Figura 6. Gráfico ph KCl versus ph para obtenção do ponto de carga zero do biossorvente produto da digestão do cupim...18 Figura 7. Estudo do efeito do tipo de tampão para a extração de Cd(II) usando o produto da digestão do cupim como biossorvente em um sistema em linha e detecção por F AAS. Condições experimentais: vazão da amostra 6 ml min -1, massa de biossorvente 200 mg, concentração de eluente 1 mol L -1 e volume de amostra 10 ml...19 Figura 8. Gráfico de Pareto gerado para a avaliação dos efeitos das variáveis e suas interações para na extração de Cd (II) pelo sistema em linha utilizando o produto da digestão do cupim como biossorvente e detecção por F AAS...20 Figura 9. Estudo do efeito da concentração do tampão TRIS/HCl e ph da amostra na extração de Cd(II) pelo sistema em linha utilizando o produto da digestão do cupim como biossorvente e detecção por F AAS...22 Figura 10. Estudo do efeito da massa do biossorvente versus ph da amostra na extração de Cd(II) pelo sistema em linha utilizando o produto da digestão do cupim como biossorvente e detecção por F AAS...23 Figura 11. Proposta de organização macromolecular da suberina nas paredes celulares da cortiça. (R: resíduos de carboidratos, ou lignina)..28

11 Figura 12. Espectro de infravermelho do biossorvente rolha, obtido neste trabalho...31 Figura 13. Espectro de infravermelho da rolha de cortiça encontrado na literatura...32 Figura 14. Microscopia de varredura eletrônica do biossorvente rolha de cortiça...32 Figura 15. Dados obtidos através da análise semi-quantitativa do MEV- EDS do sorvente rolha de cortiça...33 Figura 16. Gráfico ph KCl versus ph para obtenção do ponto de carga zero do biossorvente rolha de cortiça...34 Figura 17. Avaliação do tipo de tampão em diferentes ph para a préconcentração de Cd(II) utilizando o sistema em linha com o biossorvente rolha de cortiça e detecção por F AAS...35 Figura 18. Gráfico de Pareto gerado para a avaliação dos efeitos das variáveis e suas interações para na extração de Cd (II) pelo sistema em linha utilizando rolha de cortiça como biossorvente e detecção por F AAS...36 Figura 19. Estudo do efeito da concentração do tampão e do ph da amostra na extração de Cd(II) pelo sistema em linha utilizando rolha de cortiça como biossorvente e detecção por F AAS...38 Figura 20. Estudo do volume de ácido nítrico versus volume do peróxido de hidrogênio no estudo do processo de digestão da amostra de cigarro na extração de Cd(II) pelo sistema em linha utilizando rolha de cortiça como biossorvente e detecção por F AAS...39 Figura 21. Comparação entre a curva com calibração em água e a curva de calibração com adição de padrão, na determinação de cádmio em amostras de cigarro, utilizando o biossorvente rolha de cortiça, em um sistema FIA-F AAS...40 iv

12 v Lista de Tabelas Tabela 1. Métodos publicados para determinação de metais em diferentes tipos de amostras utilizando a extração em fase sólida com diversos sorventes...4 Tabela 2. Parâmetros analíticos de mérito para determinação de Cr(III) em álcool combustível e Cd (II) em água utilizando o produto da digestão do cupim como biossorvente pelo sistema FI-F AAS...24 Tabela 3. Valores das concentrações de Cd(II) nas amostras certificadas e valores encontrados através da metodologia proposta para a préconcentração de Cd(II) usando o biossorvente produto da digestão do cupim e detecção por F AAS...25 Tabela 4. Sensibilidade da curva de calibração com adição de padrão para cada amostra de cigarro...41 Tabela 5. Parâmetros analíticos de mérito para determinação de Cd(II) cigarro utilizando a rolha de cortiça como biossorvente pelo sistema FIA-F AAS...41 Tabela 6. Concentração de cádmio obtida através da pré-concentração do metal pelo biossorvente rolha no sistema FIA-F AAS...42

13 vi Lista de Abreviaturas ET AAS: Espectrometria de Absorção Atômica com Atomização Eletrotérmica ICP-MS: Espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado ICP-OES: Espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado F AAS: espectrômetro de absorção atômica em chama FIA: análise de injeção em fluxo FIA-SPE: análise por injeção em fluxo com extração em fase sólida LD: limite de detecção LQ: limite de quantificação RSD: desvio padrão relativo SD: desvio padrão LLE: extração liquido-liquido HFRLM: extração com membrana liquida renovável SPE: extração em fase solida CPE: extração em ponto nuvem SDME: microextração em gota suspensa PTFE: politetrafluoretileno PCTFE: Polychlorotrifluoroethylene C 18 : polimetiloctadecil SiO 2 - Nb 2 O 5 : sílica gel modificada como óxido de nióbio (V) Hg: mercúrio CENA: Centro de Energia Nuclear na Agricultura IV: Infravermelho EDS: espectroscopia por dispersão de energia MEV: microscopia de varredura eletrônica CHN: análise elementar TRIS:trishidroximetilaminometano

14 1 1. Introdução 1.1 Aspectos relevantes sobre os metais Os metais fazem parte da vida humana. Embora em quantidade mínima, os metais são componentes naturais dos solos. Atividades como a extração de minério, diversos tipos de indústrias e a agricultura intensiva localizada têm contribuído para uma acumulação não desejada de metais tóxicos em muitas áreas do mundo 1. Os metais, de uma forma geral, se destacam dos outros poluentes devido ao fato de serem facilmente absorvidos e bioacumulados por plantas e animais, e os resíduos contendo essas espécies se alastram por cadeias alimentares apresentando uma grande mobilidade em ecossistemas contaminados. Metais tóxicos são considerados um problema à saúde pública, devido ao fato de serem substâncias não biodegradáveis ao longo do tempo. Sendo indestrutíveis, os metais permanecem no meio ambiente na forma de diferentes espécies, tais como íons, compostos iônicos, óxidos ou sulfetos. As variadas formas nas quais os metais são encontrados conferem aos mesmos diferentes níveis de biodisponibilidade e toxicidade. A contaminação por íons metálicos causa prejuízos à saúde dos organismos vivos por danificar a estrutura das proteínas formadoras das enzimas metabólicas. Esses íons metálicos reagem com os átomos de enxofre de grupos sulfidrilas (-SH), podendo ocorrer o deslocamento átomos de hidrogênio, ocasionando a destruição das ligações de dissulfetos responsáveis pela estrutura tridimensional de proteínas. O resultado dessas interações é a interrupção dos processos metabólicos, levando à falência total ou parcial do funcionamento dos órgãos contaminados 2. Outro tipo de contaminação indesejável de metais é no álcool combustível, pois esses íons metálicos podem aumentar seu poder corrosivo, acelerando a corrosão dos componentes metálicos do motor, ou podem promover a formação de gomas e sedimentos em motores que utilizam a mistura etanol como combustível, prejudicando assim o bom funcionamento do automóvel 3. Devido ao fato desses metais serem encontrados em matrizes orgânicas e biológicas, em geral, em concentrações-traço, é necessário o desenvolvimento de metodologias analíticas que possibilitem determinações quantitativas de acordo com os crescentes níveis de exigência das organizações governamentais. Dentre as técnicas

15 existentes em química analítica, a espectrometria de absorção atômica em chama (F AAS) é uma das mais utilizadas para a determinação de elementos metálicos em diferentes tipos de amostras Espectrometria de absorção atômica em chama A espectrometria de absorção atômica é uma técnica que se baseia na medida da absorção da radiação eletromagnética, proveniente de uma fonte de radiação, por átomos gasosos no estado fundamental. O processo de formação de átomos gasosos no estado fundamental, denominado atomização, pode ser obtido via chama, via eletrotérmica, ou por reação química especifica como a geração de vapor frio de Hg 5-8. A espectrometria de absorção atômica em chama é amplamente utilizada em química analítica para determinações de metais, e oferece muitas vantagens, como por exemplo, alta freqüência analítica, baixo custo operacional, alta precisão e seletividade. Em contra partida esta técnica tem alguns inconvenientes como interferência química da matriz da amostra e alto limite de detecção 4. Entretanto esses problemas podem ser resolvidos utilizando-se alguma técnica de pré-concentração, tais como extração líquido-líquido (LLE), extração com membrana líquida renovável (HFRLM), extração em fase sólida (SPE), extração em ponto nuvem (CPE), a microextração em gota suspensa (SDME) dentre outras Extração em fase sólida A extração em fase sólida é uma técnica muito empregada para a extração e/ou pré-concentração de analitos presentes em matrizes complexas. A SPE emprega sorventes recheados em cartuchos e o seu principio envolve a partição do analito entre duas fases, uma fase líquida (amostra) e uma fase sólida (sorvente) A solução amostra contendo o analito passa através do cartucho, preenchido com o sorvente apropriado, onde o analito é retido nos sítios ativos. Em uma segunda etapa o analito é eluído usando-se pequenos volumes de um eluente apropriado. A fácil adaptação de minicolunas para pré-concentração em sistema em fluxo, o uso de pequenas

16 quantidades de eluente e a disponibilidade de vários tipos de sorventes são vantagens importantes desta técnica 16. Uma mini coluna típica usada em SPE pode ser vista na Figura 1. 3 Figura 1. Diagrama esquemático de uma mini-coluna onde: T é o tubo de Tygon e P é o tubo de politetrafluoretileno (PTFE) usados como conexões, S é o sorvente e F é a lã de vidro (funciona como filtro). Na literatura são encontrados diversos artigos relacionados com SPE, mostrando que esta técnica tem sido amplamente aplicada para a extração e/ou pré-concentração de diversos analitos em diferentes tipos de amostra, como pode ser visto na Tabela 1. Existem diversos materiais que podem ser utilizados como sorventes e a escolha apropriada depende da natureza do analito de interesse e da matriz na qual ele se encontra. A capacidade do sorvente reter um analito de uma solução esta vinculada a área superficial disponível e a cinética do processo do soluto para interface. O mecanismo de retenção do analito depende da natureza do sorvente, sendo que os principais mecanismos são os de adsorção, formação de quelatos e troca iônica 24. Diversos são os sorventes disponíveis comercialmente, dentre os quais se podem citar o carvão ativado, zeólitas, sílica gel, alumina ativada, dentre outros. Porém, existem na natureza inúmeros materiais formados por macromoléculas contendo vários grupos funcionais, os quais são capazes de interagir com metais, assim como os sorventes comerciais. Esses materiais são conhecidos como biossorventes e esses vêm sendo amplamente estudados e utilizados como uma alternativa potencial para remover e recuperar os íons metálicos de diversas matrizes biológicas e ambientais 25,26.

17 Tabela 1. Métodos publicados para determinação de metais em diferentes tipos de amostras utilizando a extração em fase sólida com diversos sorventes. 4 Analitos Amostras Metodologia Cd(II) Água de rio Pré-concentração em batelada utilizando como sorvente Saccharomyces cerevisiae e detecção por ICP OES LQ (µg L -1 ) Refª 0,36 [19] Cu(II), Pb(II) Água Pré-concentração em linha utilizando como sorvente Polychlorotrifluoroethylene (PCTFE) e detecção por F AAS 0,23 e 8,91 [20] Cr(III), Cr(VI) Mn(II), Cu(II), Co(II), Ni(II), Zn(II), Cd(II), Pb(II) Ni(II) Zn(II) Pb(II) Água Água do mar Água torneira Água Água de rio e de consumo Pré-concentração em linha utilizando como sorvente alumina ativada e detecção por F AAS Pré-concentração em linha utilizando como sorvente alumina ativada e detecção por ICP-MS Pré-concentração em linha - utilizando como sorvente SiO 2 Nb 2 O 5 e detecção por F AAS Pré-concentração em linha utilizando como sorvente 8- hydroxyquinoline-chitosan e detecção por F AAS Pré-concentração em linha utilizando como sorvente resina Chellex P e detecção por ICP-MS 3,33 e 2,66 0,01 a 0,18 [21] [22] 2,77 [4] 2,52 [5] 5, [23] 1.4 Biossorventes Biossorção pode ser definida como a remoção de metais, compostos e partículas de soluções por material biológico. Já o termo

18 biossorvente engloba toda a biomassa, seja ela ativa (com atividade metabólica) ou inativa (sem atividade metabólica) 27. A Biossorção é um processo alternativo, que utiliza materiais naturais de origem biológica, incluindo bactérias, fungos, madeira, resíduos agrícolas, bagaço de cana, serragem, capim, resíduos de processamento de alimentos, plantas aquáticas, algas, e uma série de outros materiais. Esses biossorventes possuem propriedades seqüestrastes de metais e podem ser usados para pré-concentrar íons metálicos presentes em soluções 26, 27. A fim de compreender como os íons metálicos se ligam ao biossorvente, é essencial que os grupos funcionais responsáveis pela interação metal-sorvente sejam identificados. Esses grupos normalmente estão presentes em estruturas contidas na parede celular do biomaterial que engloba macromoléculas de celulose organizadas na forma de microfibrilas cercadas por hemiceluloses, lignina, pectina e pequenas porções de proteínas vegetais. Essas macromoléculas possuem grupos funcionais químicos, como álcoois, aldeídos, cetonas, ácidos carboxílicos, fenóis e éteres. Esses grupos tendem a doar elétrons para o cátion metálico estabelecendo, assim, a ligação entre o íon metálico e o biossorvente 26,28. Os biossorventes possuem diversas características atrativas, como baixo custo, robustez, fácil utilização, eficiência e eles são geralmente encontrados em abundância na natureza Por estes motivos, diversas pesquisas têm enfocado o uso de biossorventes como uma alternativa potencial para remover e recuperar íons metálicos de matrizes aquosas. Resíduos agrícolas, bem como biomassas vivas e não vivas, têm sido utilizados como biossorventes para remoção de íons metálicos de soluções aquosas. Os agro-resíduos têm sido utilizados como biossorventes como, por exemplo, talos de uvas 35, casca de pinhão 36, casca da avelã 37, casca de amendoim 38, casca de arroz 39, casca de banana e laranja 40, polpa da beterraba 41, e bagaço moído de azeitonas 42. Bacillus sphaericus 43, Fucus vesiculosus 31, Saccharomyces cerevisiae e Ralstonia eutropha 44 são exemplos de biomassas utilizadas recentemente como biossorventes para tratamento de efluentes. Os biossorventes têm sido aplicados para a remoção de cádmio, níquel, cobre, arsênio, chumbo, zinco, mercúrio, cobalto, ferro e cromo de meio aquoso. Outra aplicação promissora para os biossorventes é o desenvolvimento de novos métodos analíticos para determinação de baixas concentrações de íons metálicos em diversas matrizes. Para um 5

19 biossorvente ser adequado para o desenvolvimento de uma metodologia analítica em fluxo ele deve oferecer sorção e eluição quantitativa, mecanismos de sorção e dessorção cineticamente rápidos e alto fator de pré-concentração e regeneração durante muitos ciclos com boa reprodutibilidade na sorção. Neste contexto, vermicomposto 45, bagaço de uva 46 e a sementes de Moringa 47 têm sido utilizados para a determinação de íons metálicos em água e álcool combustível em sistema em fluxo acoplado a espectrometria de absorção atômica Análise por injeção em fluxo A análise por injeção em fluxo (FIA) é uma técnica onde se efetua a análise em série com operações de separação. Esta técnica foi proposta por Ruzicka e Hansen 48 em 1975 e foi introduzida no Brasil em 1976, por pesquisadores do Centro de Energia Nuclear na Agricultura CENA, Piracicaba-SP 49. A FIA proporciona uma variedade de possibilidades para a extração e pré-concentração em linha, incluindo a co-precipitação, diálise, extração líquido-líquido ou extração em fase sólida 48. No sistema FIA-SPE, uma solução amostra, em condições previamente otimizadas, é injetada no sistema geralmente com auxílio de uma bomba peristáltica. A espécie analítica presente na amostra, ao passar pela mini-coluna é extraída pelos sítios ativos do material extrator, e a quantidade de analito retido na coluna é proporcional a vazão da amostra e ao tempo de pré-concentração. O analito é extraído da mini-coluna através de um eluente apropriado, onde a solução resultante contendo o analito é deslocada até um detector e o sinal analítico é monitorado 50. O desenvolvimento da metodologia envolve a otimização de vários parâmetros que afetam a eficiência da extração do analito, dentre eles a vazão da amostra, a vazão do eluente, o tipo de eluente, a concentração do eluente, ph da amostra, o volume de amostra, o tipo de tampão, a concentração de tampão, dentre outros 51. Sendo assim, a otimização do sistema é um passo crucial para um procedimento analítico eficiente e reprodutivo.

20 7 1.6 Otimização multivariada A otimização de experimentos relativos à química analítica tem sido feita tradicionalmente usando a técnica univariada. Entretanto, esta técnica apresenta como desvantagens o tempo gasto para otimização e a falta de avaliação acerca das interações entre as variáveis que afetam o processo em estudo, resultando assim em uma otimização ineficiente. Técnicas que envolvem otimização multivariada atualmente vem sendo aplicadas em química analítica por permitirem, dentre outras vantagens, a otimização simultânea de todos os fatores envolvidos no sistema com menor número de experimentos, maior rapidez e, portanto com maior eficiência. Apesar destas múltiplas vantagens, somente nas últimas décadas houve uma utilização efetiva e crescente das técnicas multivariadas na otimização de métodos analíticos 4. A otimização multivariada pode ser realizada através do uso de ferramentas quimiométricas. A quimiometria relaciona medidas, feitas num sistema ou processo químico, ao estado do sistema, utilizando métodos matemáticos e/ou estatísticos 52. Em geral, a otimização multivariada em procedimentos analíticos consiste em dois passos: uma investigação preliminar, usando planejamento fatorial é realizada para descobrir se determinados fatores influênciam ou não a resposta analítica, em seguida uma função matemática entre a resposta analítica e os fatores significantes do processo deve ser obtida, e então os valores ótimos são calculados. Para obtenção da função resposta, metodologia de superfície respostas podem ser aplicados 53. No planejamento fatorial, cada variável é denominada de fator, e cada fator varia em dois níveis ou mais. Os planejamentos são, preferencialmente, estudados em dois níveis, porque a depender da quantidade de fatores, o número de experimentos é grande, e o planejamento torna-se ineficiente. Embora o planejamento fatorial completo não indique os valores ótimos para os fatores e, conseqüentemente, para as variáveis, ele é importante para a análise dos efeitos individuais e suas interações 54. A matriz Doehlert é uma técnica quimiométrica usada para otimização multivariada de fatores experimentais. Este é um planejamento uniforme proposto por Doehlert em O planejamento Doehlert permite localizar os pontos críticos (mínimo, máximos ou sela) de cada etapa do processo de otimização.

21 8 2. Objetivos 2.1 Objetivo geral Este trabalho teve como objetivo geral caracterizar e utilizar novos biossorventes para a determinação de metais em matrizes biológicas e ambientais. 2.2 Objetivos específicos Caracterizar o produto da digestão do cupim e a rolha de cortiça através de técnicas de IV, CHN, MEV-ECD e determinar ponto isoelétrico de ambos sorventes; Desenvolver metodologia analítica em fluxo acoplada ao F AAS utilizando o biossorvente produto da digestão do cupim para a determinação de cádmio e cromo; Desenvolver metodologia analítica em fluxo acoplada ao F AAS utilizando o biossorvente rolha de cortiça para a determinação de cádmio; Otimizar de forma multivariada as variáveis químicas e de fluxo dos sistemas de pré-concentração descritos anteriormente; Determinar os parâmetros analíticos de mérito para cada metodologia de pré-concentração proposta. Analisar amostras de água e amostras biológicas para determinação de cádmio, amostras de álcool combustível para determinação de cromo e amostras de cigarro para determinação de cádmio utilizando as metodologias desenvolvidas.

22 9 3. Capítulo 1 CARACTERIZAÇÃO E UTILIZAÇÃO DO BIOSSORVENTE PRODUTO DA DIGESTÃO DO CUPIM PARA DETERMINAÇÃO DE CROMO EM ÁLCOOL COMBUSTÍVEL E CÁDMIO EM ÁGUA E MATRIZES BIOLÓGICAS 3.1 Introdução A contaminação de solos e água com diversos poluentes químicos representa um grande problema atual, principalmente para o meio ambiente e à saúde humana. A industrialização e urbanização progressiva têm exposto animais e vegetais a muitos elementos químicos tóxicos como, por exemplo, os metais pesados 45. O cádmio é um constituinte natural da crosta terrestre e, geralmente encontra-se como mineral combinado nas formas de cloreto, óxido ou sulfato de cádmio. Na indústria, ele é usado na produção de baterias, pigmentos, revestimento para metais dentre outros. O cádmio é liberado para a atmosfera através da queima de combustíveis fósseis, mineração e resíduos industriais, e suas partículas podem ser dispersas a longas distâncias, antes de se depositarem no solo ou na água. O cádmio permanece no organismo por longo tempo e pode se acumular depois de anos de baixos níveis de exposição, causando sérios riscos à saúde, sendo considerado carcinogênico 56. O cromo é obtido do minério cromita (FeOCr 2 O 3 ), metal de cor cinza. Os dejetos de resíduos industriais são as principais fontes de contaminação das águas com este metal. Entre as inúmeras atividades industriais as quais utilizam Cr, destacam-se galvanoplastia, soldagens, curtume, pigmentos entre outros. Apesar de o cromo trivalente ser essencial para o metabolismo de carboidratos e lipídeos, ele é considerado não essencial para plantas 57, 58. A cana-de-açúcar possuí sistemas de absorção, os quais absorvem enzimas e metais que são essenciais ao seu metabolismo. Entretanto, metais não-essenciais, como o Cromo, também são absorvidos pela cana por possuírem características similares aos essenciais. A presença de alguns íons metálicos no álcool combustível geralmente não é desejável, porque pode induzir a corrosão de

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