CROMATOGRAFIA LÍQUIDA DE ALTA EFICIÊNCIA II - DETERMINAÇÃO DE ANIÕES EM ÁGUAS POR CROMATOGRAFIA IÓNICA

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1 1 CROMATOGRAFIA LÍQUIDA DE ALTA EFICIÊNCIA II - DETERMINAÇÃO DE ANIÕES EM ÁGUAS POR 1 - OBJECTIVO Pretende-se ilustrar a técnica de Cromatografia Iónica com Supressor, aplicandoa na separação e determinação de alguns aniões em águas. 2 - INTRODUÇÃO O termo cromatografia iónica foi o escolhido para designar técnicas de análise de iões por cromatografia de permuta iónica usando equipamentos de HPLC. Os aspectos fundamentais que distinguem a cromatografia de permuta iónica clássica da cromatografia iónica são o tipo de fase estacionária (particularmente o usarem-se enchimentos com partículas de pequeno diâmetro - 10 a 25 µm) e os métodos de detecção utilizados. O processo de separação dos solutos é a questão central do método cromatográfico, mas a detecção das espécies separadas tem uma importância comparável. Nalguns aspectos a detecção em cromatografia iónica é mais problemática do que em muitos outros métodos cromatográficos; isto é devido a que esta é complicada pela química dos processos de separação em maior grau do que na maior parte das outras técnicas cromatográficas. Na verdade, a separação e a detecção estão tão intimamente ligadas entre si que os constrangimentos e requisitos de ambas têm de ser considerados simultaneamente e em pé de igualdade quando se desenvolve um procedimento cromatográfico. Neste trabalho utiliza-se um aparelho cuja constituição se representa esquematicamente na figura 1. O enchimento da coluna é constituído por partículas de um copolímero de estireno-divinilbenzeno ao qual estão ligados grupos amónio quaternários (ver bibliografia), que se designa por resina de permuta aniónica.

2 2 Figura 1 - Representação esquemática de um cromatógrafo iónico com supressor. A amostra é colocada na válvula de injecção, sendo posteriormente injectada na coluna. O eluente (ex. solução contendo NaHCO 3 e Na 2 CO 3 ) é continuamente bombeado para a coluna e vai arrastar os componentes da amostra. Na coluna estabelecem-se equilíbrios de permuta iónica do tipo: Soluto + (resina + -eluente ) eluente + (resina + -soluto ) Representando o soluto por A, o anião do eluente por E e o local da resina onde os aniões se ligam por R +, a constante deste equilíbrio expressa em concentrações designase por coeficiente de selectividade e pode ser escrita na forma: K A,E = [R + A ] [E ] [R + E ] [A ]

3 3 e os aniões A 1, A 2, A 3... são separados uns dos outros se os correspondentes valores de K A,E forem suficientemente diferentes. Um dos aspectos mais relevantes neste contexto são as forças de interacção electrostática entre os aniões e os grupos catiónicos (fixos) da resina. Assim, na retenção de espécies iónicas têm muita importância parâmetros tais como: carga e tamanho do ião (em especial o seu volume solvatado), ordem de grandeza da interacção entre os iões e as moléculas de água e em menor grau a força iónica do eluente. O detector condutimétrico utilizado é vantajoso neste tipo de análises pois a condução de corrente eléctrica é uma característica de todas as soluções de electrólitos. O detector consiste numa célula de fluxo contendo dois eléctrodos de platina entre os quais circula o efluente da coluna, os componentes electrónicos necessários para fazer a medida da condutância da solução e um dispositivo que indica a leitura do valor medido. A sensibilidade de um detector em cromatografia depende em grande parte da relação entre o sinal medido e o ruído associado à medida do sinal. No caso presente o ruído depende principalmente da amplitude do sinal correspondente à linha de base, ou seja, da condutividade do efluente da coluna quando não passa qualquer soluto, e de pequenas flutuações de temperatura. Ora, como o eluente tem de ser uma solução de um electrólito, pois caso contrário os solutos não são deslocados na coluna, a sua condutividade é elevada e o correspondente ruído também o será. A função do supressor é converter o eluente numa solução electricamente neutra, cuja condutividade e correspondente ruído será certamente muito menor. Por exemplo, se um eluente constituído por uma solução de NaHCO 3 e Na 2 CO 3 passa pelo supressor de micromembrana (ver figuras 2-3), a solução regeneradora (H 2 SO 4 diluído) fornece-lhe iões H + e o carbonato é convertido em H 2 CO 3, que é um electrólito fraco e praticamente não conduz a corrente eléctrica. Nestas condições a condutividade do efluente do supressor será apenas devida aos iões HCO 3 e H + resultantes da dissociação parcial do ácido carbónico. Quando as bandas correspondentes aos aniões inicialmente existentes na amostra, que foram separados na coluna separadora, passam no detector, podem agora ser detectados com uma grande sensibilidade, uma vez que a condutividade de fundo é baixa. O supressor comporta-se como um reactor pós-coluna. Para a análise de aniões, como supressor pode usar-se uma coluna de permuta catiónica (contra-ião H + ), um sistema de dois tubos concêntricos (ex. fig. 2A) ou um "supressor de membrana" (ex. fig. 3), em que o eluente passa continuamente em contra-corrente com uma solução de um ácido. Nesta unidade estabece-se o seguinte processo de permuta iónica:

4 4 R H + + Na + R Na + + H + e os iões Na + presentes no eluente são trocados por um número equivalente de iões H +. Estes vão reagir com os iões HCO 3 e CO 2 3 produzindo o ácido carbónico. No supressor utilizado os aniões a determinar são também convertidos nos correspondentes ácidos: (catião + ) X H + X Exemplo: Na + Cl H + Cl Como o ião H + tem uma mobilidade iónica muito elevada, este fenómeno contribui também para um aumento da sensibilidade do detector condutimétrico. Figura 2 - Representação esquemática do funcionamento de um supressor de membrana. A membrana é um permutador de catiões e contém grupos R SO 3 fixos na sua estrutura. É permeável a catiões e não permeável a aniões.

5 5 Figura 3 - Supressor de micromembrana do tipo do utilizado no aparelho do Laboratório de Química Analítica. O volume vazio deste dispositivo é da ordem de 50 µl e é possível, por exemplo, a remoção de Na + de uma solução de NaOH (0.1 M) com um caudal de 2.0 ml/min, obtendo-se uma solução com condutividade de fundo bastante inferior a 20 µs. 4 - PARTE EXPERIMENTAL Aparelhagem Cromatógrafo Dionex (Série 4000i) com os componentes que se esquematizam na figura 1. O supressor é de micromembrana: Dionex AMMS-I, Coluna Dionex AS4A (4 x 250 mm) com um enchimento constituído por partículas de 15 µm de um copolímero de estireno-divinilbenzeno (substracto com 4% de crosslinking e latex de 0.5% de crosslinking) com grupos + N(R) 2 R superficiais, com 20 µeq de capacidade, Registador/integrador (Spectra-Physics) ou outro sistema de aquisição de dados Reagentes Produtos sólidos de bom grau de pureza: NaF, NaCl, KBr, KNO 3, NaNO 2, NaH 2 PO 4, Na 2 SO 4, NaHCO 3 e Na 2 CO 3.

6 6 Água desionizada de boa qualidade (ex. de um sistema Millipore) H 2 SO 4 (p.a.) Soluções a preparar Preparar soluções rigorosas a utilizar como padrões para cada um dos aniões a detectar ou analisar: Cl, NO 3 e SO mg/l 500 ppm A partir destas soluções preparam-se padrões de concentração adequada para cobrir a gama de concentrações existente nas amostras analisadas. Note que os valores indicados referem-se aos aniões e não aos respectivos sais utilizados. Só se analisam soluções de outros aniões se estes estiverem presentes nas amostras de águas analisadas. Preparar 2 L da solução de eluente: 0.75mM em NaHCO 3 e 2.2 mm em Na 2 CO 3. Preparar também 2 L de solução regeneradora : 25 mn de H 2 SO 4. NOTA: AS condições experimentais específicas a utilizar são as adequadas se usar uma pré-coluna AG4A e coluna AS4A. Se estiver montado outro tipo de pré-coluna e coluna, as condições poderão ser diferentes Condições Experimentais Caudal de eluente: 2.0 ml/min Caudal de solução regeneradora: 3.0 ml/min Escala de sensibilidade no detector: conforme as amostras mas provávelmente entre 3 e 300 µs. Velocidade do papel do registador: 0.5 cm/min Técnica Experimental a) Desgaseificar o eluente com hélio utilizando o equipamento apropriado existente. Deixar 5 min na posição HIGH e seguidamente manter em LOW até ao final do trabalho. Manter a pressão de entrada do hélio inferior a 5 psi na unidade de desgaseificação.

7 7 b) Ligar o aparelho. Ligar o caudal de solução regeneradora (B: OFF o cilindro de gás que faz actuar as válvulas deve ser previamente "aberto"). Iniciar o fluxo de eluente carregando no botão START associado às bombas. Regular o caudal de solução regeneradora de maneira a que a condutividade se mantenha constante. Normalmente só cerca de minutos depois de iniciado o fluxo de eluente é que se consegue estabilizar a linha de base. c) Ligue o integrador, marque e data e hora. Introduzir a atenuação de trabalho ( = 1024 ) e qualquer outra variável que não pretenda manter nos valores standard. d) Seleccione a escala de condutividades em que pretende fazer o ensaio e se as leituras de condutividade do eluente tiverem estabilizado verifique se o PT EVAL é apropriado. No caso afirmativo pode começar a fazer a injecção das amostras. NOTA: de cada vez que mudar a escala de sensibilidades em princípio deveria estabelecerse um novo valor para PT EVAL. Esta grandeza está associada ao nível de ruído do sinal que chega ao registador e depende da escala de condutividades marcada; vai determinar alguns parâmetros relevantes para a detecção e integração das bandas, nomeadamente os valores de áreas abaixo das quais o integrador ignora as bandas. Ensaio das amostras e padrões: Sob a orientação do professor proceda à injecção de cada uma das amostras de águas de mesa a analisar e dos padrões contendo Cl, NO 3 e SO 2 4. Deve começar pelos padrões mais diluídos e pelas águas contendo menor teor em iões. Em princípio devem fazer-se duas injecções de cada amostra e padrão. Em cada caso os resultados dos dois cromatogramas devem ser comparados e no caso de não serem semelhantes deve repetirse a injecção. Deve numerar todos os cromatogramas obtidos no trabalho e registar em cada um o ensaio a que diz respeito e escala de sensibilidades utilizada. À medida que vai registando os cromatogramas dos padrões, deve desenhar as curvas de calibração. No caso de os resultados para algum dos padrões ser anómalo, deve repetir o ensaio com esse padrão e eventualmente preparar nova solução deste. Para um dos padrões, após ter registado a banda do cloreto, aumentar a velocidade do papel para 2.0 cm/min para registar as bandas do nitrato e sulfato. Este cromatograma

8 8 servirá de base às determinações do número de pratos da coluna e factor de resolução entre estes dois aniões. 4 - CÁLCULOS 1) De acordo com os os cromatogramas obtidos determine a concentração de cada um dos aniões identificados nas águas de mesa analisadas. 2) Referindo-se ao sulfato determine o número de pratos da coluna (N) e a a altura equivalente a um prato (H). 3) Determine o factor de resolução entre o nitrato e o sulfato. 5 - QUESTIONÁRIO 1) Comente a altura e áreas relativas obtidas num dos ensaios com água da torneira. 2) Comente a ordem de eluição e a separação entre as bandas dos diversos iões. 3) Comente o rigor possível nas análises dos diversos iões com o eluente utilizado. Acha conveniente proceder a modificações do método de análise? No caso afirmativo que modificações propõe? 4) Calcule os coeficientes de distribuição para o Cl, NO 3 e SO 2 4. Justifique. 6 - BIBLIOGRAFIA Além de livros de Química Analítica, Métodos Instrumentais de Análise e do Texto de Apoio de Análise Química I, podem consultar-se: 1) P.C. Smith, Jr. e R.C. Chong, The Practice of Ion Chromatography, John Wiley & Sons, New York, ) J. Weiss, Handbook of Ion Chromatography, ed. E.L.Johnson Dionex Corporation, Sunnyvale, ) J. Costa Pessoa, Detecção de Solutos em Cromatografia Iónica - Detector Condutimétrico, Técnica, 1994, nº1, 63. 4) - T.S. Stevens, G.L. Jewett e R.A. Bredeweg, Anal. Chem., 1982, 54, ) - D.T. Gjerde e J.S. Fritz, Ion Chromatography, Huthig, 2ª ed., Heidelberg, ) H. Small, Ion Chromatography, Plenum Press, New York, ) P.R. Haddad e P.E. Jackson, Ion Chromatography. Principles and Applications, Elsevier, Amsterdam, 1990.

9 9 Cromatografia líquida de alta eficiência II - Determinação de aniões em águas por cromatografia iónica Grupo Dia da semana (da turma) Data / / Nomes Números Características da coluna utilizada Comprimento cm Marca e refª Diâmetro interno mm Fase estacionária Parâmetros de operação Caudal ml min 1 Temperatura ºC Atenuação no registador Pressão média psi Condut. do efluente do supressor S Velocidade do papel cm min 1 Eficiência da coluna e factor de resolução: Sulfato Tempo de retenção Largura de banda min Número de pratos HETP : mm Nitrato Tempo de retenção Largura de banda min Número de pratos HETP : mm Factor de resolução entre o nitrato e sulfato

10 10 Resultados para os padrões Padrões Concentrações Áreas Observações (ppm) (unid. Integr.) Anexar curvas de calibração.

11 11 Amostras ensaiadas Amostra Anião Área da Banda Concentração (ppm) Água da EPAL Água da EPAL Água da EPAL

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