Determinação de Gases de Efeito Estufa com Sistema Automático de Injeção e Forno Auxiliar acoplado

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1 Determinação de Gases de Efeito Estufa com Sistema Automático de Injeção e Forno Auxiliar acoplado Autores: Cristiane de Oliveira Silva, Henrique Franciscato Melo e Danilo Vinicius Pierone Nova Analítica, São Paulo, SP, Brasil Palavras-chave: Gases de efeito estufa, automação, forno auxiliar, cromatografia gás-sólido. Resumo Um sistema de cromatografia a gás dedicado à determinação de gases de efeito estufa foi otimizado para proporcionar maior produtividade e amostragem direta dos vials utilizados na coleta de ar em campo. A adaptação de um injetor automático às necessidades específicas desta aplicação e o ajuste das condições cromatográficas ideais permitiram uma redução de cerca de 30% no tempo de análise. A confiabilidade dos resultados obtidos com este sistema cromatográfico foi comprovada por uma boa repetitividade de área, linearidade, eficiência de separação e baixos limites de detecção e quantificação. Introdução TRACE 1310 GC conectado ao Forno Auxiliar. Gases de efeito estufa (GEE) são componentes-traço da atmosfera que absorvem parte da radiação infravermelha emitida pela superfície terrestre e por isso impedem uma perda demasiada de calor para o espaço e mantêm a Terra aquecida. O aumento das concentrações dos GEE causa a intensificação do efeito estufa natural e resulta no aumento progressivo da temperatura média na Terra 1. Pesquisas desenvolvidas pelo Painel Intergovernamental sobre Mudança do Clima (IPCC, 1995) indicam, inequivocamente, o aumento do efeito estufa na atmosfera terrestre 2. Em 1997, o Protocolo de Quioto estabeleceu compromissos de redução ou limitação de emissões de GEE a serem cumpridos pelos países industrializados entre 2008 e O prazo para o cumprimento desses compromissos foi estendido por mais cinco a oito anos, na Conferência de Durban, África do Sul, em Na COP 19 4, realizada em Varsóvia (PL) em novembro de 2013, foi definido que um novo acordo global de redução de emissões terá que ser aprovado até o primeiro trimestre de O Brasil, apesar de não ter metas quantificadas a cumprir, por estar incluído no grupo de países em desenvolvimento, instituiu a Política Nacional sobre Mudança do Clima, que define um compromisso nacional voluntário de redução de suas emissões de GEE 5. Os GEE considerados nas estimativas de emissões são: dióxido de carbono ou gás carbônico (CO 2 ), óxido nitroso (N 2 O), metano (CH 4 ), hidrofluorocarbonetos (HFC), perfluorocarbonetos (PFC) e o hexafluoreto de enxofre (SF 6 ) 6. As variações de concentração dos GEE na atmosfera são usualmente determinadas por cromatografia a gás e empregadas no cálculo das taxas de emissão ou absorção. Devido às suas propriedades físico-químicas diferentes, os GEE são analisados com o emprego de detectores cromatográficos distintos. O CH 4 e o CO 2 convertido a CH 4 são usualmente determinados com o detector de ionização em chama (FID) e o N 2 O e os flúor derivados com o detector de captura de elétrons (ECD). Embora a cromatografia em fase gasosa seja altamente confiável e adequada para a separação, detecção e quantificação dos GEE, esta técnica impõe limitações quanto 1

2 ao número de amostras que podem ser analisadas em um curto período de tempo 7. Este trabalho apresenta um sistema cromatográfico automático desenvolvido especificamente para a determinação de GEE em amostras de ar, capaz de reduzir o tempo de determinação de CH 4, CO 2, N 2 O e SF 6 para até 8 min, com capacidade para analisar grandes lotes de amostras de modo autônomo. Este sistema é composto por um amostrador automático compatível com os vials empregados para a coleta de amostras de ar (vials LABCO de 12 ml) e por um conjunto de válvulas de acionamento programado e automático. Além dos detectores FID e ECD, um detector TCD pode ser montado em série com o FID, para determinação do oxigênio e nitrogênio do ar. Esta configuração do cromatógrafo com três detectores desenvolvida pela Thermo Scientific possibilita a análise completa de uma amostra com apenas uma injeção. Parte Experimental Instrumentação Cromatógrafo a gás TRACE 1300 Series GC (Thermo Scientific) disponível em dois modelos: TRACE 1300, controlado por software, e TRACE 1310, controlado por software ou diretamente em uma tela touch screen. Ambos os modelos podem ser empregados na determinação de GEE descrita neste trabalho. O injetor SSL convencional foi substituído por uma porta de injeção com septo e uma válvula empregada para purgar os loops com gás hélio. A purga dos loops evita contaminação cruzada (carryover) e é exclusiva no TRACE 1300 Series GC dedicado à determinação de GEE. Forno auxiliar (Thermo Scientific) acoplado ao cromatógrafo para expandir a configuração do sistema cromatográfico com a inclusão de um terceiro detector e de colunas e válvulas. Este forno opera em isoterma de até 300 C. Suas dimensões internas são mm e externas cm. Amostrador automático Triplus RSH (Thermo Scientific) para a injeção de amostras líquidas ou gasosas em vials de até 20 ml. Neste trabalho o TriPlus RSH foi adaptado para injetar gases contidos em vial LABCO de 12 ml, diretamente no cromatógrafo. O TriPlus RSH é compatível com todos os vials LABCO. Sistema de tratamento de dados Chromeleon 7 (Thermo Scientific). Configuração do Sistema Cromatográfico O TRACE 1300 Series GC dedicado à determinação de GEE é configurado com dois canais de separação e detecção [Figura 1-(a) e -(b)]. Cada canal é composto por: loop de amostragem de volume 1 ml; précoluna Hayesep T (Restek) de 80/100 mesh, 1 m x 1/8 ; válvula Valco de 10 vias e colunas analíticas. No canal (a) a coluna analítica é Hayesep Q (Restek), 80/100 mesh, 2 m x 1/8, para separação do CH 4 e CO 2. Após a coluna analítica, o canal (a) contém um metanador (Thermo Scientific) e um FID. No canal (b) a coluna analítica é Hayesep D (Restek), 80/100 mesh, 2 m x 1/8, para separação do N 2 O e SF 6. Após a coluna analítica, o canal (b) contém uma válvula Valco de quatro vias e um microecd (µecd). Todas as válvulas deste sistema e as duas pré-colunas são instaladas em um forno auxiliar conectado ao cromatógrafo. 2

3 3 Figura 1. Esquema da configuração do TRACE 1300 Series GC para a análise de CO 2, CH 4, N 2 O e SF 6. Etapa 1: carregamento da amostra no loop; Etapa 2: transferência da amostra para a pré-coluna. EPC: controlador de pressão. A configuração do TRACE 1300 Series GC pode ser ampliada com a inclusão do detector TCD no canal (a), para a determinação de O 2 e N 2 do ar. Essa ampliação inclui a substituição da coluna analítica Hayesep Q de 2 m para uma coluna igual, porém com 4 m

4 e a inclusão de uma coluna empacotada com peneira molecular 5A de 1 m x 1/8 e uma válvula Valco de seis vias, seguida do TCD instalado antes do metanador e do FID (Figura 2-a). Figura 2. Esquema da configuração do TRACE 1300 Series GC para a análise de CH 4, N 2 O, SF 6 e de altas concentrações de CO 2, O 2 e N 2. PM: peneira molecular. 4 Princípio da operação Com as válvulas V1 e V2 da Figura 1 na posição de carregamento dos loops (Etapa 1), a amostra de ar é introduzida no sistema pelo amostrador automático TriPlus RSH com uma seringa gas tight. Quando as válvulas V1 e V2 (Fig.1) são acionadas, as alíquotas de amostra contidas em cada loop são varridas simultaneamente para dentro das pré-colunas (Etapa 2). Após um determinado intervalo de tempo, as válvulas de 10 vias são acionadas novamente e o fluxo de gás nas pré-colunas é invertido (backflush), varrendo para fora do sistema o vapor d água e outros componentes da amostra ainda presentes nas pré-colunas. As frações da amostra que eluiram das précolunas antes do backflush são arrastadas para dentro das colunas analíticas onde os GEE serão separados. Na coluna analítica do canal (a) o CH 4 é separado do CO 2, sendo este último convertido a CH 4 no metanador. O FID detecta o CH 4 originalmente presente na amostra e o CH 4 produto da metanação do CO 2 como dois picos com tempos de retenção diferentes. No canal (b), a válvula de quatro vias V3 é acionada na Etapa 2, juntamente com as válvulas V1 e V2, enviando para o vent o oxigênio do ar. A expulsão do O 2 tem a finalidade de evitar sua interferência no sinal analítico e proteger o foil radiativo do ECD da oxidação. Em seguida, a posição da válvula V3 é invertida, permitindo que o N 2 O e o SF 6, separados na coluna analítica, cheguem ao ECD. O acionamento das válvulas é automático e controlado pelo software através de uma tabela de eventos definida no método analítico. Quando um TCD é configurado em série com o FID (Figura 2-a), o O 2 e o N 2 do ar são separados na coluna 5A e detectados no TCD. Em seguida, a válvula V4 é invertida e a fração da amostra que contém CO 2 e CH 4 elui diretamente ao detector TCD sem passar pela coluna com peneira molecular. O CO 2 gera sinal nos dois detectores (FID e TCD). Se a concentração de CO 2 na amostra é baixa, sua quantificação é feita pelo sinal do

5 FID, detector mais sensível que o TCD, porém se a concentração de CO 2 supera a faixa de linearidade do FID, sua quantificação é feita pelo sinal do TCD. Amostra e padrões Quatro misturas gasosas de concentrações diferentes e conhecidas de padrões de CO 2, CH 4, N 2 O e SF 6 em hélio (Tabela 1), preparadas pela White Martins e fornecidas pela Embrapa São Carlos foram analisadas para construção de curvas analíticas. Tabela 1. Concentrações dos GEE padrões em quatro misturas analisadas CO 2 (ppm) 252,7 502, CH 4 (ppm) 0,514 1,027 3,150 5,117 N 2 O (ppb) 253,7 506, SF 6 (ppt) n.c. n.c.: não contém Uma amostra de gases ruminais de gado bovino foi analisada pelo método de padronização externa. Desenvolvimento de método Diferentes polímeros porosos foram testados como fases estacionárias (FE) nas précolunas e colunas analíticas. A FE Hayesep T (dimetacrilato de etilenoglicol), a mais polar entre as FEs da série Hayesep, empregada na pré-coluna, foi a mais eficiente na retenção da água e dos componentes da amostra com maior polaridade e massa molecular em relação aos analitos. As FEs Hayesep D e Hayesep Q, ambas divinilbenzeno, foram as mais eficientes na separação de N 2 O e SF 6, e de CH 4 e CO 2 respectivamente. Os tempos de acionamento das válvulas, a vazão do gás de arraste He e as temperaturas do forno do cromatógrafo e do forno auxiliar foram otimizados até a obtenção da melhor separação entre os analitos. O injetor automático TriPlus RSH foi adaptado para operar com bandeja (rack) compatível com vials LABCO de 12 ml, através de uma customização do software. Esta adaptação possibilitou a automação completa da determinação de GEE e a redução do tempo de análise. O TriPlus RSH apresenta grande capacidade de amostras e permite análises ininterruptas durante finais de semana, o que favorece a análise de bateladas de muitas amostras sem o acompanhamento de um analista. Condições Cromatográficas Os parâmetros cromatográficos foram otimizados para o sistema da Figura 1. As condições cromatográficas definidas e empregadas nas análises de CH 4, CO 2, N 2 O e SF 6 estão apresentadas na Tabela 2. Tabela 2. Condições Cromatográficas empregadas nas determinações de GEE. Purga dos loops: 20 ml/min de He por 12 s Temperatura do forno principal: 50 C Temperatura do forno auxiliar: 50 C isoterma Gás de arraste: hélio, vazão: 18 ml/min Detector Temperatura (⁰C) FID 250 Vazão de gases (ml/min) 350 (ar sintético) / 25 (H 2 ) / 12 (N 2 make up) µecd (N 2 make up)* TCD 110 1,0 (N 2 make up) * O µecd da Thermo Scientific emprega N 2 grau ECD como gás de make up ao invés da mistura argônio-metano usualmente empregada para esta aplicação em ECDs de outros fabricantes. O uso do N 2 diminui o custo de análise, elimina a dificuldade da aquisição de gases especiais, ao mesmo tempo em que mantém a máxima sensibilidade. Resultados obtidos As misturas de GEE padrões foram analisadas em triplicata e os cromatogramas obtidos foram empregados para a avaliação de alguns parâmetros de validação do sistema cromatográfico, como a repetitividade, linearidade e limites de detecção e quantificação. A Figura 3 apresenta dois cromatogramas típicos de uma mistura dos GEE CH 4, CO 2, N 2 O, SF 6 analisados. 5

6 Figura 3. Cromatogramas de uma mistura de padrões analisada no TRACE 1300 Series GC configurado como na Figura 1: (a) picos detectados pelo FID para o CH 4 presente na mistura e para o CH 4 resultante da metanação do CO 2 ; (b) picos de N 2 O e SF 6 detectados pelo ECD. Repetitividade A repetitividade foi avaliada através do desvio padrão relativo (RSD) da média das áreas dos picos 8 dos padrões de GEE analisados. Os baixos valores de RSD obtidos (Tabela 3) indicam excelente repetitividade. 6 Tabela 3. Desvios padrão relativos (DPR) das médias das áreas dos picos dos GEE padrões analisados. GEE Concentração Média das áreas (n=3) Desvio padrão DPR % CO 2 252,7 ppm 22,696 0,1738 0,8 CH 4 1,027 ppm 0,092 0,0008 0,8 N 2 O 506,2 ppb 0,019 0, ,8 SF 6 34 ppt 0,014 0,0002 1,4 Linearidade A linearidade foi observada pelas curvas analíticas apresentadas na Figura 4 e verificada a partir da equação da regressão linear 8. Os valores dos coeficientes de correlação (r) superiores a 0,99 indicam a boa correlação linear alcançada entre as áreas de pico medidas e as concentrações de GEE determinadas com os detectores FID e ECD.

7 CH 4 r = 0,9990 Concentração (ppm) Média das áreas (n=3) 0,514 0,070 1,027 0,123 3,150 0,332 5,117 0,525 CO 2 r = 0,9996 Concentração (ppm) Média das áreas (n=3) 252,7 22, ,2 54, , ,388 N 2 O r = 0,9979 Concentração (ppb) Média das áreas (n=3) 7 253,7 0, ,2 0, , ,025 SF 6 r = 0,9997 Concentração (ppt) Média das áreas (n=3) 34 0, , ,206 Figura 4: Curvas analíticas para CH 4, CO 2, N 2 O, SF 6 e respectivos coeficientes de correlação linear (r).

8 Limites de Detecção e Quantificação Os limites de detecção (LD) do método analítico desenvolvido foram determinados em cromatogramas sucessivos de misturas de padrões dos GEE com concentrações decrescentes. As menores concentrações que geraram sinais analíticos foram consideradas como sendo os LD. Os limites de quantificação (LQ) foram calculados considerando a relação 10:1, isto é, 10LQ:1LD. Os valores de LD e LQ determinados estão apresentados na Tabela 4 e Figuras 5 e 6. Tabela 4 - Limites de detecção (LD) e quantificação (LQ) do método analítico GEE LD LQ CO 2 (FID) 7,432 ppm 74,32 ppm CH 4 0,056 ppm 0,56 ppm N 2 O 32,76 ppb 327,6 ppb SF 6 4,35 ppt 43,5 ppt 8 Figura 5. Cromatogramas de misturas de padrões de GEE em baixas concentrações: (a) 32,76 ppb de N 2 O detectado no ECD; (b) 0,056 ppm de CH 4 e 7,432 ppm de CO 2 detectados no FID acoplado a um metanador. Figura 6. Cromatogramas de misturas de padrões com baixas concentrações de SF 6 : (a) 100 ppt (b) 4,35 ppt.

9 Análise de Amostra Na Figura 7 estão apresentados dois cromatogramas de uma amostra de gases ruminais e na Tabela 5 as concentrações quantificadas pelo método de padronização externa nesta amostra para N 2 O, CH 4 e CO 2. Figura 7. Cromatogramas de uma amostra de gases ruminais. À esquerda pico de N 2 O detectado pelo ECD. À direita picos de CH 4 e CO 2 detectados pelo FID. Tabela 5 Tempo de retenção, área, altura, área relativa, altura relativa e concentração de N 2 O, CH 4 e CO 2 em amostra de gases ruminais. ECD T R Área Altura Área Relativa Altura Relativa Concentração min khz*min khz % % N 2 O 4,50 0,014 0, ,00 100,00 337,4 ppb 9 FID CH 4 1,25 0,242 2,044 0,30 1,08 2,82 ppm CO 2 2,96 79, ,742 99,70 98,92 981,1 ppm Conclusão Os bons resultados obtidos para a repetitividade de área, linearidade, eficiência de separação entre os analitos, limites de detecção e quantificação comprovam que o TRACE 1300 Series GC, na configuração apresentada neste trabalho, é um sistema perfeitamente adequado para a análise de gases de efeito estufa. Referências 1. Thilo Kunzemann. a/ciencia/?126/aquecimento-global-efeitoestufa (acessado em 13/12/2013). 2. Eletrobras. DEA. DEAA. Emissões de dióxido de carbono e de metano pelos reservatórios hidrelétricos brasileiros: relatório final coordenado por Luiz Pinguelli Rosa. Rio de Janeiro, Fabrício Marques. A Plataforma de Durban. Revista Pesquisa FAPESP Edição 191, janeiro 2012, pag. 38.

10 4. 19ª Conferência das Partes da Convenção- Quadro das Nações Unidas sobre Mudança do Clima. Revista Meio Ambiente Industrial, Ano XVII, Edição 106, Nov/Dez 2013, pág Estimativas anuais de emissões de gases de efeito estufa no Brasil. Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação. Coordenação Geral de Mudanças Globais de Clima ( (acessado em 13/12/2013). 6. Grupo Interdisciplinar de Pesquisa Sobre Mudanças Climáticas Globais. hp?idabc=18 (acessado em 13/12/2013). 7. Nicoloso, R. S., et al. Gas chromatography and photoacoustic spectroscopy for the assessment of soil greenhouse gases emissions. Ciência Rural, 43 (2), p , fev DOQ- Coordenação Geral de Acreditação do Inmetro CGCRE-008. Orientação sobre validação de métodos analíticos. Revisão 04 JUL/2011. Agradecimentos Os autores agradecem ao Prof. Dr. Paulo Henrique Mazza Rodrigues, do Departamento de Nutrição e Produção Animal da Universidade de São Paulo, Pirassununga, SP, pela contribuição ao aperfeiçoamento da configuração do sistema cromatográfico, à Embrapa São Carlos, SP, pela doação das misturas de padrões de GEE e a Silvana Odete Pisani, da Nova Analítica, pela revisão da redação deste texto. Hayesep é marca registrada da Restek Co. Todas as outras marcas são de propriedade da Thermo Fisher Scientific e de suas subsidiárias, a menos que indicado em contrário. 10