AVALIAÇÃO DE METODOLOGIAS DE PRÉ-TRATAMENTO DE AMOSTRAS COM ALTOS TEORES DE GRAXAS PARA A DETERMINAÇÃO DE CÁLCIO

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1 1 AVALIAÇÃO DE METODOLOGIAS DE PRÉ-TRATAMENTO DE AMOSTRAS COM ALTOS TEORES DE GRAXAS PARA A DETERMINAÇÃO DE CÁLCIO METHODOLOGIES OF PRETREATMENT EVALUATION FOR CALCIUM DETERMINATION ON SAMPLES WITH HIGH LEVEL OF GREASE SALAZAR, Rodrigo Fernando dos Santos; CARROCCI, Juliana Sanches, CAPRI, Maria da Rosa, IZÁRIO FILHO, Hélcio José Escola de Engenharia de Lorena Departamento de Engenharia Química - USP Tel.: ; fax: hélcio@dequi.eel.usp.br RESUMO O elemento cálcio é amplamente encontrado no meio ambiente sob as formas de carbonatos. Sua presença em fontes de águas subterrâneas e águas residuárias industriais e domésticas dependem de fatores geoquímicos e antropogênicos, respectivamente. A análise do teor de cálcio em fontes aquosas resulta na determinação da dureza (cálcica) da água, um dos principais parâmetros físico-químicos que determina a qualidade de fontes hidrológicas para seu uso e de efluente para reúso ou descarte. Em função da matriz do efluente são necessárias metodologias e técnicas capazes de minimizar efeitos de interferentes de matriz. A proposta deste trabalho foi avaliar metodologias para preparo de amostras; via úmida para a determinação de cálcio em matrizes com altos teores de óleos e graxas. Através de um planejamento fatorial completo 2 4 ; podem-se otimizar os parâmetros metodológicos como, mistura ácida, uso de peróxido, aquecimento e homogeneização. Em função das técnicas espectrométricas adotadas (EAA Chama e ICP OES); puderam-se propor os melhores parâmetros para a quantificação via ICP OES e EAA - Chama e, propõe-se que a técnica de absorção atômica (EAA Chama) apresentou maior eficiência analítica que ICP OES. PALAVRA-CHAVE: cálcio, efluente lácteo, EAA - Chama, ICP OES SUMARY The element calcium is widely found in the environment as carbonate salts. Its presence in mineral sources, industrial wastewaters and sewerage depends on geochemical factors

2 2 and human activities results. Through the analyses of calcium level in water sources is possible to determine the hardness of a water resource. This is the main physicochemical parameter which determines the quality of water resources. The analytical efficiency on sampling preparation and appliance of technique depends, in most part of the time, on characteristics of each sample and matrixes interferences. The aim of this work was evaluate the methodologies for sample preparation: wet digestion to determine calcium level on dairy effluent samples with strong grease interference. The design of the experiment (complete factorial, 2 4 ) enable the determination and optimization of some parameters investigated in order to improve the analytical sign of calcium by atomic absorption spectrometry (FAAS) and by inductive coupled plasma optical emission spectrometry (ICP OES). The FAAS technique showed better analytical efficiency then ICP OES to determine Ca on this kind of matrix (dairy effluent). KEYWORDS: calcium, dairy effluent, FAAS, ICP OES. INTRODUÇÃO Em relação à abundância do elemento cálcio (Ca) é sabido que este perfaz aproximadamente 4,9 % de todos elementos elementos encontrados na crosta terrestre (APHA-AWWA, 1998). As principais fontes deste elemento são as jazidas de calcita (carbonato de cálcio) e dolomita ( carbonato de cálcio/magnésio). Metais como chumbo, cádmio, arsênio, mercúrio, ferro e cálcio são amplamente encontrados em águas de poços artesianos, águas residuárias industriais ou resíduos líquido de origem doméstica devido atividades antropogênicas ou ocorrência geológica. Entretanto qualquer quantidade excessiva destes elementos prejudica o seu uso inviabilizando ou restringindo o consumo (BRAILE e CAVALCANTI, 1993). Com relação ao cálcio é sabido que seus sais são os principais responsáveis pela dureza da água. Em função da variação da concentração elemento e ph do meio o cálcio, quando presente em águas de reúso ou fontes artesianas, pode precipitar como carbonato de cálcio e danificar trocadores de calor e reservatórios devido ao seu acúmulo (APHA-AWWA, 1998). Neste panorama as empresas do setor laticinista que possuem maior automatização e produz grande quantidades de produtos lácteos fazem uso de sistemas de limpeza para a remoção destes sólidos e gorduras que se acumulam nas tubulações ao longo do processo chamados Clean in Place (CIP) (FARIA et al, 2004; SALAZAR, 2008).

3 3 Determinações de compostos e elementos de origem inorgânica são previstos em lei, principalmente para os valores considerados aceitáveis para o reuso ou descarte (CONAMA, 2005). Em função das diversas exigências que um aqüífero deve atender para determinadas atividades, bem como as normas que regulamentam as características físico-químicos para o descarte de efluentes, se faz necessário um conjunto de ferramentas metodológicas que possuam alto grau de sensibilidade, estabilidade e que gerem pouco ou quase nenhum resíduo danoso ao meio ambiente; bem como o uso de ferramentas estatísticas para a avaliação da eficiência do método (SALAZAR, 2008). Em handbooks especializados sobre laticínios é comum propostas de pré-tratamento por calcinação entre ºC de amostras com altos teores de óleos e graxas para determinação de elementos metálicos por técnicas espectrométricas, entretanto esta metodologia não se mostra viável para a determinação de uma série de oligoelementos, tais como sódio e potássio, bem como de alguns contaminantes inorgânicos como chumbo e arsênio (FOX e McSWEENEY, 1998). Recentes estudos sobre especiação de amostras de laticínio e determinação espectrométrica têm adequado métodos de preparo de amostras lácteas por via úmida, porém observa-se que, em função do derivado lácteo que se deseja analisar, a eficiência analítica do método de preparo proposto varia de forma considerável (POHL e PRUSISZ, 2007; WOLICKA, 2007; GÜNGÖR e KARTHIKEYAN, 2008). Neste contexto a proposta deste trabalho foi de otimizar as condições de pré-tratamento, via úmida, de uma amostra ambiental de efluente lácteo constituída de uma matriz complexa rica em óleos e graxas (O&G) por volta de 4000 mg L -1 e demanda química de oxigênio (DQO) oscilando entre 5000 a 7500 mg L -1 de maneira a determinar a concentração de cálcio, via espectrometria de absorção e emissão atômica e, através de um planejamento experimental, otimizar uma metodologia de pré-tratamento que melhor se adequassem às técnicas estudadas. MATERIAL E MÉTODOS Para a determinação de cálcio (Ca) fez-se a adaptação da metodologia do Standard Methods For Wastewater ( Metals), baseada à análise de elementos metálicos via atomização por chama (APHA-AWWA, 1998). A lâmpada utilizada para a determinação de Ca foi do tipo HCL ( Hollow Cathode Lamp.) Todas as medidas de absorção atômica foram feitas em espectrômetro de absorção atômica PerkinElmer modelo AAnalyst 800 por espectrometria de absorção atômica com

4 4 atomização em chama (EAA - Chama) nas amostras de efluente lácteo. As condições experimentais utilizadas estão descrita na tabela 1. Tabela 1 - Condições experimentais para a determinação de cálcio por absorção atômica. Parâmetros Comprimento de onda 422,7 nm Abertura de fenda 0,70 nm Corrente da lâmpada 10 ma Fluxo de gás (ar/c 2 H 2 ) 17,0 / 2,0 L min -1 As medidas de emissão atômica foram feitas em espectrômetro de emissão ótica com plasma acoplado indutivamente (ICP OES) modelo Spectroflame Modula seqüencial (radial) da Spectro Co, Germany. As condições experimentais estão descritas na tabela 2. Tabela 2 - Condições experimentais para a determinação de cálcio por emissão atômica. Parâmetros Potência do Gerador de RF 1200 W Fluxo de gás Ar refrigerante 12 L min -1 Fluxo de gás Ar auxiliar 1,2 L min -1 Pressão do Nebulizador 30 psi Fluxo de gás Ar de arraste 1 L min -1 Vazão de Introdução da Amostra 1,5 L min -1 Altura de observação acima da bobina 12 mm de cobre Comprimento de onda 394,401 nm Reagentes Ácidos: HNO 3 (65 % m/m), HCl (36 % m/m) Carlo Erba Reagenti P.A.-A.C.S., Vetec P.A.-A.C.S., respectivamente. Água: resistividade de 18,2 mω cm -1 obtida por um sistema Millipore, modelo Simplicity. Preparo da amostra

5 5 A metodologia consistiu em digerir 5,0 ml de amostra homogeneizada previamente com 6,0 ml de uma mistura ácida (H 2 SO 4 / HNO 3 ) e, em alguns casos, com adição de 8 gotas de peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ). Esta mistura foi levada para aquecimento em chapa. Fez-se um planejamento fatorial completo 2 4 para determinação das influências dos principais fatores da metodologia empregada sobre o sinal de resposta dos analitos, com o objetivo de se determinar os melhores parâmetros para abertura (digestão) da amostra, de maneira a obter um sinal analítico com a menor interferência desta matriz complexa. Os fatores estudados encontram-se na tabela 3. Tabela 3 - Fatores estudados sobre os sinais de respostas do elemento analisado. Fatores Menor nível (-) Maior nível (+) Mistura ácida (A) H 2 SO 4 / HNO 3 (1:1 v/v) H 2 SO 4 / HNO 3 (2:1 v/v) Adição de H 2 O 2 (B) Sem H 2 O 2 Com H 2 O 2 Aquecimento (C) Direto em chapa Em banho de areia Homogeneização (D) Ultra-som (30 min) Manual (30 min) Para a determinação dos sinais de branco foram necessários a preparação de brancos que referem à mistura ácida H 2 SO 4 / HNO 3 (1:1), chamados de brancos B e a mistura H 2 SO 4 / HNO 3 (2:1), chamados de branco A. RESULTADOS E DISCUSSÃO Otimização metodológica para determinação de Ca por EAA - Chama Os efeitos dos principais fatores na determinação de cálcio por EEA Chama foi apresentada na figura 1.

6 6 Figura 1- Efeito dos principais fatores para determinação de cálcio, via EAA - Chama. Dentre os parâmetros avaliados na determinação de Ca por FAAS, verifica-se a maior influência da homogeneização mecânica sobre o sinal deste analito. Este resultado pode inferir que, devido às condições drásticas de temperatura e pressão (KORN, 2008), resultantes da seqüência de colapsos das microbolhas geradas no processo de homogeneização por ultrassom, estivessem havendo não somente a mineralização da matéria orgânica, como, também, a perda do elemento por volatilização, possivelmente. Verificou-se também se os parâmetros investigados promoviam interações de 2ª ordem significativas, conforme apresentado na figura 2. Figura 2 - Efeitos de secunda ordem para determinação de cálcio, via EAA - Chama.

7 7 Ao analisar os efeitos sobre a resposta de Ca em função das interações verificou-se a ocorrência de sinergismos entre os fatores, destacando-se os efeitos de interação de 2º ordem entre aquecimento e homogeneização. Verificou-se neste caso, maior resposta do analito quando se fez homogeneização por agitação mecânica. A análise de Pareto (90 % confiança) dos diversos efeitos sobre a resposta analítica do Ca é apresentada a seguir (Figura 3). Figura 3 - Análise de Pareto para determinação dos principais fatores na quantificação de cálcio, via EAA Chama. A interação de segunda ordem: aquecimento / homogeneização (CD) foi que mais influenciou para o aumento do sinal analítico de Ca, comparados aos fatores de 1ª ordem, exceto a homogeneização que foi o fator que apresentou significância analítica. Quando as amostras foram homogeneizadas mecanicamente verificou-se um significativo aumento sobre o sinal do analítico do cálcio. A partir das análises feitas pode-se dizer que as melhores condições de pré-tratamento para a determinação de Ca em EAA-Chama foram: 1º) mistura ácida na razão de 2:1; 2º) deve ser feita adição de peróxido; 3º) o aquecimento deve ser conduzido em banho de areia e 4º), principalmente,a homogeneização deve ser mecânica. Este fator foi que mais contribuiu para o incremento do sinal analítico do cálcio na amostra investigada.

8 8 Otimização metodológica para determinação de Ca por ICP OES A seguir (Figura 4) foram apresentadas as análises obtidas dos principais efeitos dos fatores investigados quando se determinou cálcio por ICP OES. Figura 4 - Efeito dos principais fatores para determinação de cálcio, via ICP OES. Dentre os parâmetros avaliados verifica-se significativa influência de cada fator sobre o sinal de resposta do Ca quando se determinou por ICP OES. Estes fatores foram mais significativos para determinação de Ca por emissão atômica que para absorção atômica (Figura 1). Ao analisar a figura 4 é possível dizer que as melhores condições de prétratamento para posterior análise via ICP OES foram: 1º) digerir as amostras com H 2 SO 4 / HNO 3 (2:1 v/v); 2º) não adicionar H 2 O 2 ; 3º) promover homogeneização da amostra em ultra-som e 4º) conduzir a digestão da amostra utilizando-se aquecimento em banho de areia. O parâmetro que menos contribuiu para o acréscimo do sinal do analito foi o aquecimento. Verificou-se também se os parâmetros investigados promoviam interações de 2ª ordem significativas, conforme apresentado na figura 5.

9 9 Figura 5 - Efeito de segunda ordem para determinação de cálcio, via ICP OES. Podem-se observar significativos sinergismos de 2ª ordem para quase todos os pares analisados na figura 5, destes pode-se destacar o sinergismo da mistura ácida com o restante dos parâmetros analisados (mistura ácida / adição de peróxido; mistura ácida / aquecimento; mistura ácida / homogeneização) que foram mais significativos que os pares no qual não se avaliam o efeito da mistura (adição de peróxido / aquecimento; adição de peróxido / homogeneização). Para verificar se as influências dos fatores principais e dos sinergismos de 2ª ordem foram significativos analiticamente fez-se a análise de Pareto (90 % confiança) dos diversos efeitos sobre a resposta analítica do cálcio. Os resultados foram apresentados a seguir (Figura 6).

10 10 Figura 6 - Análise de Pareto para determinação dos principais fatores na quantificação de cálcio, via ICP OES. A interação de segunda ordem: mistura ácida / adição de peróxido foi que mais influenciou para o aumento do sinal analítico de Ca, como se pode observar na figura 5. Verifica-se também que interações de 3ª ordem (mistura ácida / adição de peróxido / homogeneização) foram tão significativos quanto a interação de todos os fatores entre si (ABCD). Quando as amostras foram digeridas com mistura ácida H 2 SO 4 / HNO 3 (2:1 v/v) verificou-se um significativo aumento sobre o sinal do analítico do cálcio. Ao comparar os mesmos efeitos quando se determinou o elemento por EEA Chama (Figuras 2 e 3) verificaram-se menores efeitos de sinergia que para ICP OES. Entretanto pode-se observar que, para um mesmo conjunto de amostras, a concentração do elemento variou em 4,31 a 18,23 mg L -1 quando analisado por EEA-Chama e variou em 1,12 a 1,18 mg L -1 quando analisado por ICP OES. CONCLUSÕES Em relação à concentração de Ca nas amostras analisadas verifica-se expressiva depreciação do sinal analítico quando determinado por ICP OES. Futuros estudos serão realizados para a validação do método com testes de adição e recuperação de analito para as melhores condições de pré-tratamento e verificar os fatores de depreciação ou incremento do sinal de Ca nas amostras analisadas. AGRADECIMENTOS Agradecimentos à Coordenadoria para o Aperfeiçoamento do Pessoal de Ensino Superior (CAPES: Bolsa de Demanda Social) pelo fomento financeiro. REFERÊNCIAS APHA, AWWA, WEF. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 20 ch Edition. American Public Health Association, Washington, DC, (CD-ROM) BRAILE, P. M.; CAVALCANTI, J. E. W. A. Manual de Tratamento de Águas Residuárias Industriais. São Paulo: CETESB, CONSELHO NACIONAL DO MEIO AMBIENTE CONAMA. CONAMA Nº 357: disposição sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais para o seu

11 11 enquadramento, bem como estabelecimento das condições e padrões de lançamento de efluentes. Disponível em: Acesso em 28 jul FARIA, E. A.; RODRIGUES, I. C.; BORGES, R. V. Estudo do impacto ambiental gerado nos corpos d água pelo efluente da indústria de laticínio em Minas Gerais f. Monografia (Especialização em Engenharia Sanitária e Meio Ambiente), UFMG, Belo Horizonte. FOX, P. F.; McSWEENEY, P. L. H. Dairy Chemistry and Biochemistry. Published: Blackie Academic & Professional. Londres, p. GÜNGÖR, K.; KARTHIKEYAN, K. G. Phosphorus forms and extractability in dairy manure: A case study for Wisconsin on-farm anaerobic digesters. Bioresource Technology, V 99, p , KORN, M. Emprego de ultra-sons no preparo de amostras e o desafio para a integridade das informações químicas. In: WORKSHOP SOBRE PREPARO DE AMOSTRAS, 7., 6 9 maio, 2008, São Carlos, Brasil. POHL, P.; PRUSISZ, B. Determination of Ca, Mg, Fe and Zn partitioning in UHT cow milks by two column ion exchange and flame atomic absorption spectrometry detection. Talanta, V 71, p , SALAZAR, R. F. S. Aplicação de processos oxidativos avançados (POAs) como prétratamento de efluentes de laticínios para posterior tratamento biológico f. Qualificação (Mestrado em Engenharia Química) Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena. WOLICKA, D. Biotransformation of phosphogypsum in wastewaters from the dairy industry. Bioresource Technology, 2007 (in press)