VALIDAÇÃO ANALÍTICA DA DETERMINAÇÃO DE METAIS EM BIODIESEL POR ESPECTROSCOPIA DE ABSORÇÃO ATÔMICA

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1 VALIDAÇÃO ANALÍTICA DA DETERMINAÇÃO DE METAIS EM BIODIESEL POR ESPECTROSCOPIA DE ABSORÇÃO ATÔMICA Patrícia Baggio Severino Faculdade de Química CEATEC Alessandra Borin Metrologia Química, Quimiometria e Química Analítica - CEATEC aleborin@puc-campinas.edu.br Resumo: Com o crescente aumento da demanda energética mundial o biodiesel vem ganhando mais visibilidade no cenário automotivo, de forma que desde 2008, no Brasil, tornou-se obrigatório a adição de 2% de biodiesel no diesel (B2). Há limites considerados adequados para garantir a qualidade dos biocombustíveis. Um dos parâmetros de qualidade estabelecido para o biodiesel é a determinação da quantidade de metais como sódio e magnésio, que são resíduos de metais do catalisador e do agente secante. Dessa forma, nesse trabalho, o objetivo foi produzir biodiesel e validar parcialmente a metodologia, para a determinação de metais (sódio e magnésio) empregando espectrofotometria de absorção atômica em chama. Essa validação parcial contemplou as seguintes figuras de mérito: linearidade, sensibilidade do método (limites de detecção e quantificação), precisão (repetibilidade e precisão intermediária), exatidão e robustez. A partir dos resultados deste trabalho foi possível verificar que este método apresentou linearidade para ambos os metais (coeficiente de determinação de r2=0,9889 para o sódio e coeficiente de determinação de r2= 0,9902 para o magnésio). Também apresentou adequada sensibilidade com limite de quantificação (LQ) para sódio de 0,16mg/L e para magnésio de 0,10mg/L. Para repetibilidade e precisão intermediária foi possível observar que a metodologia para determinação de sódio apresenta adequada repetibilidade e precisão intermediária pois apresenta DPR de 0,00% e 0,06% respectivamente. Porém para a análise de magnésio o desvio padrão relativo para a repetibilidade apresentou-se relativamente alto (8,37%) mas pode ser considerado adequado com relação a precisão intermediária (3,12%). A exatidao não foi adequada para esta metodologia. Na avaliação da robustez, empregando planejamento fatorial 2², é possível concluir que o método é robusto para todas as mudanças realizadas, tanto para estequiometria da chama quanto para a corrente da lâmpada, Isso permite concluir que as variações feitas não interferiram no resultado. Palavras-chave: validação, biodiesel, espectrometria de absorção atômica. Área do Conhecimento: Ciências Exatas e da Terra Química. 1. INTRODUÇÃO O crescimento da população nos últimos anos ocasionou a expansão do setor industrial, principalmente do setor dos transportes, o que torna um grande desafio para nossa sociedade suprir a demanda energética mundial. O biodiesel é um exemplo, já em aplicação, do emprego da biomassa para produção de energia. Este apresenta vantagens sobre o diesel de petróleo [1], pois não é tóxico e é proveniente de fontes renováveis, além da melhor qualidade das emissões durante o processo de combustão [2]. No Brasil, a Lei 11097/05 instituiu a obrigatoriedade da adição de 2% de biodiesel ao diesel (mistura B2) a partir de janeiro de 2008 e torna obrigatórias as misturas de 5% até 2013 [3]. Antecipando as previsões, o Conselho Nacional de Políticas Energéticas (CNPE), através de sua Resolução nº 2 de 2008, tornou obrigatória a adição de 3% de biodiesel ao diesel (mistura B3) a partir de 1º de julho deste mesmo ano. Esta medida, além de fortalecer a indústria nacional e reduzir a participação do diesel mineral na matriz energética nacional, visa também escoar a produção nacional de biodiesel. Com o intuito de garantir a qualidade do biodiesel diante de um aumento tão grande na produção, foram estabelecidos parâmetros a serem seguidos por todos os produtores de biodiesel em qualquer lugar do mundo. Estes parâmetros de qualidade estão associados a características químicas do combustível. Desta forma, procura-se conquistar a confiança do mercado e da indústria automotiva, garantindo o sucesso do novo combustível [4]. As especificações do B100 (100% biodiesel), a ser misturado com o diesel mineral, são

2 estabelecidas pela Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP), através da Resolução nº 07 de 2010 [5, 6] tornando os critérios de avaliação da qualidade do biodiesel brasileiro mais restritivos. Um destes critérios é a análise de metais em biodiesel. Atualmente, alguns elementos têm limites máximos estabelecidos de concentração, que são para os elementos Fósforo (P) (10 mg/kg) e Enxofre (S) (50 mg/kg), e para as somas dos elementos Cálcio (Ca) + Magnésio (Mg) (5 mg/kg) e Sódio (Na) + Potássio (K) (5 mg/kg) [6]. A presença destes elementos no biodiesel pode reduzir a eficiência dos catalisadores veiculares, já que estes atuam como potenciais envenenadores de catalisadores [7]. Há, portanto, a necessidade de controlar e detectar a quantidade desses metais. A resolução ANP n 4 indica como método ABNT NBR [8] para determinação da soma de sódio e potássio e da soma de cálcio e magnésio para produtos derivados de óleos e gorduras. Além do bom desempenho de qualquer técnica analítica há a necessidade que ela seja validada [9,10]. As figuras de mérito são os indicadores quantitativos do escopo e do bom desempenho das técnicas e são descritas na literatura especializada como: seletividade, ajuste da curva analítica e determinação da sua faixa de linearidade, sensibilidade do método (representada pelos limites de detecção (LD) e quantificação (LQ), precisão, exatidão e robustez [11-14]. Para contribuir no processo de validação é possível aplicar os planejamentos de experimentos. O planejamento de experimentos faz parte da área denominada quimiometria. Essa ferramenta estatística possui diferentes objetivos como triagem das principais variáveis de um experimento, otimização de processos químicos, estudos de misturas, entre outros [15]. Nesse trabalho o planejamento de experimentos foi usado para o estudo da robustez da metodologia com a intenção de detectar os parâmetros de análise que poderiam afetar as medidas com menor número de ensaios. pureza obtida no sistema deionizador (Mililipore, USA). Foram utilizados ácido nítrico 65% (Chemco), soluções padrão de sódio e.magnésio (1000mg/L), catalisador NaOH (Allkimia), agente secante MgSO 4. (Nuclear), metanol (Chemco), HCl 0,5% (Chemco), óleo de soja (SOYA), óleo de girassol (MAZOLA) e óleo de algodão (SALADA ESPECIAL) Limpeza e calibração das vidrarias As vidrarias foram lavadas, deixadas submersas em HNO 3 10% por 24.horas e depois enxaguadas três vezes com água corrente e três vezes com.água deionizada. Todas as vidrarias, após a lavagem foram calibradas através do cálculo da densidade (Eq.1) na temperatura do momento em que foram calibradas. D = m/v (1) Onde D= densidade da água em determinada temperatura (g/ml); m= massa de água (g) e V= volume da água (ml) Preparação das amostras de biodiesel Para a determinação dos metais as amostras de biodiesel foram produzidas usando-se o óleo de soja como matéria-prima e foram variadas as quantidades de catalisador (NaOH) e agente secante (MgSO 4 ) conforme planejamento fatorial 2² com ponto central, em duplicata, descrito na Tabela 1. Tabela 1. Planejamento fatorial 2² com ponto central para a produção de biodiesel. Ensaios NaOH MgSO 4 NaOH (% de massa em biodiesel) MgO (g) ,5 0, ,5 0, ,5 1, ,5 1, ,0 1, ,0 1, ,0 1,0 2. METODOLOGIA 2.1. Materiais O equipamento utilizado foi o Espectrofotômetro de Absorção Atômica por.chama PERKIN ELMER AAnalyst 300. Todas as soluções foram preparadas com água deionizada de alta Para a síntese do biodiesel foi usado o processo via transesterificação alcalina. Nesse processo foram colocados 50 g de óleo de soja em um balão redondo de duas bocas. Paralelamente, na capela, em um erlenmeyer de 125ml foi dissolvido o NaOH em 15 ml

3 de metanol (óleo/álcool 1:6). Este foi tampado com papel alumínio e agitado. Após a dissolução completa do hidróxido foi adicionado o óleo e a mistura foi colocada sob refluxo, agitação e aquecida a 50 C por 2 horas. O material obtido foi então transferido para um funil de separação e deixado em repouso por 2 horas. O resultado foi a fase inferior correspondente ao glicerol e a superior ao biodiesel, esta última foi lavada com 10 ml de solução aquosa de HCl 0,5% e posta para decantação novamente. Em seguida o produto obtido foi levado ao rota evaporador a 70 C para eliminar o metanol em excesso Pirólise das amostras As amostras preparadas através do planejamento fatorial foram pirolisadas antes de serem medidas no espectrofotômetro de absorção atômica por chama. Foi feita uma adaptação nas temperaturas previstas no plano de trabalho a 600º C para 450 º C. Dessa maneira, foi pesado quantitativamente 0,5g de biodiesel em cadinho. Este foi encaminhado para mufla a 250 C por 2 horas e 450 C por mais 2 horas para que as amostras fossem reduzidas à cinzas. Estas cinzas foram dissolvidas e avolumadas até 10mL com solução de HNO 3 1,0% Configurações do espectrofotômetro de absorção atômica por chama As medidas foram realizadas no espectrofotômetro de Absorção Atômica por Chama PERKIN ELMER AAnalyst 300. Para cada metal (sódio e magnésio) foram usadas as respectivas lâmpadas de cátodo oco (PERKIN ELMER). As medidas foram realizadas com fenda de 0,60nm para análise do sódio e 0,80nm para análise do magnésio. Para ambos os metais as medidas foram realizadas com estequiometria da chama de 10mL/min de acetileno e 3 ml/min de ar Validação analítica de teor dos metais sódio e magnésio em biodiesel por espectrofotometria de absorção atômica por chama Construção da curva analítica e linearidade Utilizando-se balões volumétricos calibrados de 10 ml, foram preparadas soluções de sódio (0,10; 0,50; 1,50; 3,0; 4,5; 7,0; 8,5 e 10,0 mg/l) e magnésio (0,10; 0,30; 0,8; 1,5; 2,5; 3,5; 4,5 e 5,0 mg/l) diluídas com ácido nítrico 1,0% (v/v) feitas em triplicata. Em seguida essas amostras foram lidas no espectrofotômetro de absorção atômica por chama Sensibilidade Para os cálculos de limite de detecção e quantificação foram feitas dez medidas do sinal do branco (ácido nítrico 1,0%) no espectrofotômetro de absorção atômica por chama Exatidão A exatidão foi determinada através do cálculo dos testes de recuperação, onde foram preparadas soluções de cada um dos metais em baixa (50%), média (100%) e alta (150%) concentração. Para o sódio as concentrações foram 0,10mg/L, 4,5mg/L e 10,0mg/L e para o magnésio foram de 0,10 mg/l, 2,5mg/L e 5,0mg/L. As soluções foram lidas em triplicata Repetibilidade Para a repetibilidade foram a solução padrão 4,50 mg/l de sódio e solução padrão de 2,50 mg/l de magnésio foram preparadas e analisadas, 8 vezes, pelo analista 1 (aluna Patrícia). Estas medidas foram feitas em triplicata e a avaliação dos resultados foi realizado através do cálculo do desvio padrão relativo (DPR) Precisão intermediária A precisão intermediária foi realizada da mesma maneira da repetibilidade, empregando o mesmo método e equipamento, porém com analista diferente (analista 2 outro aluno de iniciação cinetífica). O analista 2 também preparou e realizou 8 vezes a análise de solução padrão de 4,50 mg/l de sódio e solução padrão de 2,50 mg/l de magnésio. A precisão intermediária foi avaliada pela comparação entre os desvios padrão relativos obtidos pelos 2 analistas diferentes Robustez Para as medidas de robustez foi utilizado o Planejamento Fatorial Completo 2². Para esse estudo foram usadas soluções padrão de sódio e magnésio, correspondentes ao ponto médio da curva analítica. Para o sódio a concentração referente ao

4 ponto médio da curva analítica foi de 4,5mg/L e para o magnésio foi de 2,5 mg/l. Na Tabela 2 são apresentados os fatores estudados neste planejamento para a solução contendo sódio. Tabela 2. Parâmetros para o planejamento Fatorial Completo 2 ². Fatores 1 Corrente da lâmpada (ma) 2 Estequiometria da chama Nível inferior (-) Nível superior (+) ,0 acet /9,7 ar 3,0 acet /10,3 ar Na Tabela 3 são apresentados fatores estudados neste planejamento para a solução contendo magnésio. Tabela 3. Parâmetros para o planejamento Fatorial Completo 2 ². Fatores Nível inferior Nível supe- (-) rior (+) 1 Corrente da lâmpada (ma) 2 Estequiometria da chama 3,0 acet /9,7 ar 7 8 3,0 acet /10,3 ar Figura 1. Curva analítica para magnésio Linearidade para determinação de Sódio Na Figura 2 é apresentada a curva analítica para o sódio. Também é possível observar que a melhor curva apresenta uma adequada distribuição de pontos ao longo da curva e coeficiente de determinação (r 2 ) de 0,9889 (y=0,1445x 0,137). 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Linearidade A linearidade foi avaliada pelo coeficiente de determinação e pela disposição dos pontos ao longo da reta Linearidade para determinação de Magnésio Na Figura 1 é possível observar a curva analítica para o magnéseio com uma adequada distribuição de pontos ao longo da curva. O melhor coeficiente de determinação (r 2 ) de 0,9902 foi para a equação da reta y= 0,1319x-0,1461. Figura 2. Curva analítica para sódio Sensibilidade Limite de Detecção (LD) e Limite de Quantificação (LQ) Os limites de detecção e quantificação, para ambos os metais, foram determinados através dos cálculos recomendados pelo INMETRO [16], que são realizados a partir do sinal de absorbância da solução branco. Na Tabela 4 são apresentados a média aritmética e o desvio padrão correspondentes à solução branco de ambos os metais.

5 Tabela 4. Médias e desvio padrão do sinal de absorbância da solução branco para magnésio e sódio. Mg Na Média 0,052 0,055 Desvio Padrão 1, , Para o método do INMETRO o LQ e LD foram calculados com as seguintes equações: 3,3* Sb a LD= (2) S b é o desvio padrão dos sinais do branco; a é o coeficiente angular da reta com melhor resultado da curva analítica correspondente ao metal. 10*Sb a LQ= (3) S b é o desvio padrão dos sinais do branco e a o coeficiente angular da reta com melhor resultado da curva analítica correspondente ao metal. Para o magnésio o LD foi de 3, mg/l e o LQ de 0,10 mg/l. Para o Sódio o LD foi de 5, mg/l e o LQ de 0,16 mg/l. Observando os resultados para sensibilidade desta metodologia, nota-se que há sensibilidade para a análise de ambos os metais, uma vez que, o limite de quantificação (LQ) do sódio é 0,16mg/L e do magnésio 0,10mg/L. Estas concentrações correspondem ao primeiro ponto de ambas as curvas analíticas Determinação dos metais magnésio e sódio nas amostras de biodiesel As amostras de biodiesel foram produzidas através do planejamento de experimentos. As amostras 2 e 4 saponificaram devido à alta concentração de hidróxido de sódio. As amostras 5 e 7 quando foram pirolisadas, seguindo o procedimento da norma, ficaram carbonizadas. Foi feito um ajuste neste procedimento de mineralização das amostras. Com esta adaptação foi realizada a pirólise das amostras 1, 3 e 6. Estas foram analisadas no espectrofotometro de absorção atômica a fim de determinar a concentração de sódio e magnésio nas mesmas. Para a determinação dos metais nas amostras foram empregadas as equações de reta das curvas analiticas que apresentaram melhor coeficiente de determinação. Dessa maneira para o calculo do sódio foi usada a equação de reta Y=0,1445x-0,137 e para o magnésio Y=0,1319x- 0,1461. Os resultados são apresentados nas Tabelas 5 e 6. Tabela 5. Medidas de concentração de sódio para amostra de biodiesel (0,5g). Amostras de biodiesel Abs. média Concentração Na (mg/l) Concentração (mg Na/ Kg biodiesel) 1 0,211 2,41 4,82 3 0,213 2,42 4,82 6 0,312 3,12 6,24 Tabela 6. Medidas de concentração de Magnésio para amostra de biodiesel (0,5g). Amostras de biodiesel Abs. média Cocentraçã o Mg (mg/l) Concentraç ão (mg/ Kg biodiesel) 1 0,018 1,24 2,48 3 0,040 1,42 2,84 6 0,030 1,21 2,42 Confrontando os limites de quantificação para sódio e magnésio que são respectivamente 0,16 mg/l e 0,10 mg/l pode-se considerar que o método tem adequada sensibilidade para análise destas amostras. Considerando que os limites estabelecidos na resolução ANP nº04 são de 5 mg/kg para a soma de sódio e potássio (e/ou para a soma de cálcio e magnésio), apenas a amostra 6 apresentou uma concentração maior de sódio (6,24 mg Na/ Kg biodiesel). Comparando a síntese destas amostras com os resultados da concentração de sódio, os resultados obtidos são coerentes, pois a amostra 1 e 3 foram sintetizadas com 1,5% NaOH e a amostra 6 com 2,0% NaOH. No caso do magnésio, para amostra 3 a concentração foi um pouco maior em relação as outras duas, uma vez que foi usado 1,5 g de MgO como agente secante. Porém, o resultado para amostra 6 (2,42 mg Mg/Kg biodiesel) ficou

6 semelhante à amostra 1 (2,48mg Mg/Kg biodiesel) apesar de ter sido usado uma quantidade maior de agente secante para amostra Exatidão Para a análise da exatidão, foram utilizados o primeiro (50%), o terceiro (100%) e quinto (150%) pontos da curva. A partir disso foram calculadas as taxas de recuperação. Comparando os valores de taxas de recuperação para sódio com aqueles recomendados pelo INMETRO os valores das taxas de recuperação foram muito altos para os três níveis de concentração mesmo realizando os testes de exatidão duas vezes. Dessa maneira o método não apresentou exatidão aceitável Precisão intermediária e repetibilidade Para avaliar a precisão intermediária e repetibilidade de ambos metais foram calculados os respectivos desvios padrão relativos dos mesmos (Tabela 7). Tabela 7. Desvio Padrão Relativo (DPR) para repetibilidade e precisão intermediária do magnésio e sódio. Tipo de Precisão DPR (%) Magnesio Intermediária 3,12 0,00 Repetibilidade 8,38 0,06 DPR (%) Sódio É possível observar que a metodologia para determinação de sódio apresenta adequada repetibilidade e precisão intermediária, uma vez que, apresenta DPR de 0,00% e 0,06% respectivamente. Para a análise de magnésio o desvio padrão relativo para a repetibilidade apresentou-se relativamente alto (8,37%) porém, pode ser considerado adequado com relação à precisão intermediária (3,12%) Robustez A partir dos resultados obtidos em ambos planejamentos (sódio e magnésio) foram realizados os cálculos dos efeitos [17] apresentados na Tabela 8. Tabela 8. Cálculo dos efeitos dos resultados do planejamento fatorial completo 2² para sódio e magnésio. Fatores Interação 12 Efeitos para planejamento sódio Efeitos para planejamento magnésio 1-5, , ,002 0,001 Erros Como erro > efeito 5, , ,004 0,002 Não significativo Não significativo Para este estudo de robustez, observandose os baixos desvios padrão das absorbâncias (3, para sódio e 0, para magnésio) e nenhum efeito significativo no estudo dos efeitos, baseados nos resultados dos planejamentos fatoriais, é possível concluir que para as variações estudadas o método é robusto. 4. CONCLUSÕES É possível concluir que o método para determinar magnésio e sódio em biodiesel por espectrometria de absorção atômica apresenta linearidade, sensibilidade e repetibilidade adequados. Porém, não apresentou exatidão aceitável. Na avaliação da robustez empregando planejamento fatorial 2² foi possível concluir que o método é robusto para todas as mudanças realizadas, tanto para estequiometria da chama quanto para a corrente da lâmpada,ou seja, as variações estudadas não impactam nas leituras das abosrbâncias. Por fim, dentre as três amostras de biodiesel sintetizadas e analisadas, apenas uma delas apresentou concentração de sódio superior ao permitido pela ANP. AGRADECIMENTOS Ao CNPq pela bolsa de iniciação científica da aluna P.B. S. e à PUC-Campinas.

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