SILVIO SORIANO
AVALIAÇÃO DE DIFERENTES ESTRATÉGIAS PARA O
TRATAMENTO DE AMOSTRAS DE SUPLEMENTOS
MULTIVITAMÍNICOS/MULTIMINERAIS VISANDO A
DETERMINAÇÃO DE Cu, Fe, Mn E Zn POR FAAS
Dissertação apresentada ao Curso de PósGraduação em Química da Universidade Federal
Fluminense, como requisito parcial para
obtenção do Grau de Mestre em Química. Área
de concentração: Química Analítica
Orientador
Prof. Dr. Ricardo J. Cassella
Co-orientador
Prof. Dr. Annibal D. Pereira Netto
NITERÓI, AGOSTO DE 2006
S 174
Soriano, Silvio
Avaliação de diferentes estratégias para o tratamento de amostras de suplementos multivitamínicos/multiminerais visando a
determinação de Cu, Fe, Mn e Zn por FAAS/ Silvio Soriano. –
Niterói: [s. n.], 2006.
101f.
Dissertação – (Mestrado em Química) – Universidade Federal
Fluminense, 2006.
1. Amostras – Preparação. 2. Metais – Análise química. 3. Metais – Determinação. 4. Vitaminas. I. Título.
CDD.: 543.02
ii
iii
Aos meus filhos, Gilberto e Janine
À minha esposa, Marisa e
Aos meus pais, Natálio e Clara (in memoriam)
iv
Sumário
Agradecimentos.......................................................................................... vii
Resumo........................................................................................................ viii
Abstract....................................................................................................... x
Lista de Figuras.......................................................................................... xii
Lista de Tabelas.......................................................................................... xv
1. Introdução............................................................................................... 1
2. Tratamento de amostras por ultra-som e radiação microondas
para determinação de metais..................................................................... 6
2.1. Ultra-som.......................................................................................... 6
2.2. Radiação microondas....................................................................... 16
2.3. Preparo de amostras empregando ultra-som e microondas com
frasco fechado............................................................................................... 21
2.4.
Determinação
de
metais
em
suplementos
multivitamínicos/multiminerais.................................................................... 28
3. Parte experimental................................................................................. 31
3.1. Reagentes e soluções........................................................................ 31
3.2. Equipamentos................................................................................... 32
v
3.3. Identificação do ponto de maior cavitação do banho de ultra-som.. 34
3.3.1. Erosão de papel alumínio......................................................... 34
3.3.2. Sonicação de uma solução saturada de CCl4............................ 34
3.4. Procedimentos de processamento das amostras............................... 35
3.4.1. Pré-tratamento da amostra sólida............................................. 35
3.4.2. Digestão das amostras.............................................................. 35
3.4.3. Avaliação da distribuição do cobre após a extração................. 36
3.4.4. Extrações com ultra-som ou agitação magnética..................... 37
3.4.5. Extrações de longo tempo........................................................ 37
3.4.6. Extração empregando radiação microondas............................. 38
4. Resultados e discussão............................................................................ 40
4.1. A espectrometria de absorção atômica com chama.......................... 40
4.2. Investigação das condições de cavitação do banho de ultra-som..... 42
4.3. Extração dos metais presentes nos SMMs.......................................
45
4.3.1. Determinação das concentrações totais de Cu, Fe, Mn e Zn
em amostra de SMM.................................................................................... 46
4.3.2. Extração dos metais em SMM usando ultra-som e agitação
magnética...................................................................................................... 48
4.3.3. A extração do cobre.................................................................. 56
4.3.4. Extração de longo tempo.......................................................... 65
4.4. Extrações de metais dos SMMs empregando radiação microondas
e solução de ácido diluído............................................................................ 67
4.5. Determinação de Cu, Fe, Mn e Zn em amostras reais de SMMs..... 84
5. Conclusões............................................................................................... 88
6. Referências bibliográficas...................................................................... 90
vi
Agradecimentos
Ao Prof. Dr. Ricardo Jorgensen Cassella e ao Prof. Dr. Annibal Duarte Pereira
Netto pela coompreensão das minhas limitações, pela atenção e apoio ao meu
trabalho;
Ao Centro Federal de Educação Tecnológica de Química de Nilópolis (CEFETQuímica), à UFF, à CAPES, ao CNPQ e à Faperj pelo apoio material e
financeiro;
À todos aqueles estudantes e professores que de alguma maneira me ajudaram a
concluir este trabalho;
À minha família pela compreensão da minha ausência em alguns momentos.
vii
Resumo
Nesse trabalho é apresentado o desenvolvimento de metodologia para a
determinação de Cu, Fe, Mn e Zn em amostras de suplementos
multivitamínicos/multiminerais, por espectrometria de absorção atômica com
chama (FAAS), após extração dos analitos com soluções diluídas de ácidos.
Diversos parâmetros que podem influenciar o processo de extração como:
concentração e composição da solução ácida, modo de agitação (ultra-sônica ou
agitação mecânica com agitador magnético), tempo de extração e composição da
amostra foram avaliados. Os resultados obtidos demonstraram que Fe, Mn e Zn
são facilmente extraídos com HCl 1 mol/L em 5 min, tanto por agitação ultrasônica quanto por agitação mecânica com agitador magnético. No entanto, a
extração de Cu demonstrou ser mais complexa e este metal não pode ser extraído
nas mesmas condições dos demais. Para algumas amostras, o tempo de contato
entre a amostra sólida e a solução de extração apresentou importante influência,
sendo necessárias 12 h de contato para a obtenção de recuperação quantitativa
com solução 1 mol/L de HCl para este metal. A metodologia desenvolvida foi
aplicada na determinação de Cu, Fe, Mn e Zn em sete suplementos
multivitamínicos/multiminerais comerciais. Os resultados obtidos com o método
viii
desenvolvido foram comparados com aqueles obtidos por digestão total das
amostras em sistema fechado, usando forno de microondas.
Do mesmo modo, foi desenvolvido um procedimento de extração dos
analitos destas amostras, empregando um forno d microondas com cavidade
(sistema fechado). O método foi otimizado de modo multivariado baseado na
matriz de Doehlert, para soluções diluídas de HCl e HNO3. As melhores
condições de extração foram obtidas com HNO3 0,70 mol/L, irradiação das
amostras por 15 min e potência de 360 W. Não foi observada diferença
estatística entre o método assistido por microondas desenvolvido e o
procedimento de dissolução total usando microondas e ácido concentrado.
ix
Abstract
This work presents the development of a methodology for the
determination of Cu, Fe, Mn and Zn in samples of multivitamin/multimineral
tablets, by flame atomic absorption spectrometry (FAAS), after extraction of the
analytes with diluted hydrochloric acid solution. Several parameters that could
influence the extraction process such as acid extraction solution concentration
and nature, mixing mode (ultrasonic or magnetic stirring), extraction time and
sample composition were evaluated. The obtained results showed that Fe, Mn
and Zn were easily extracted with 1 mol/L HCl solution after 5 min of mixing
with either ultrasonic or magnetic stirring for all studied samples. On the other
hand, Cu extraction showed to be more complex since it could only be extracted
at the same conditions for some samples. For other samples the time of contact
between solid sample and extraction solution presented remarkable influence,
being necessary up to 12 h to achieve quantitative recovery with 1 mol/L HCl
solution. The developed methodology was applied in the determination of Cu,
Fe, Mn and Zn in seven commercially available multivitamin/multimineral
tablets. The results obtained with the developed method were compared with
those obtained after total digestion of samples using a closed-vessel microwave
oven device. In the same sense, a microwave assisted extraction procedure was
x
developed. The method was optimized by a multivariate way based on a
Doehlert matrix, for HCl and HNO3 solutions. Best extraction conditions were
achieved with 0.70 mol/L HNO3 solution and irradiating the sample by 15 min at
360 W power. No statistical differences were observed between the developed
microwave assisted method and the total dissolution one.
xi
Lista de Figuras
Figura 1. Trabalhos publicados na área de Sonoquímica entre 1990 e
2000................................................................................................................. 9
Figura 2. Diagrama esquemático de um forno de microondas com frasco
fechado............................................................................................................. 17
Figura 3. Curvas analíticas típicas para Cu, Fe, Mn e Zn obtidas por
FAAS............................................................................................................... 41
Figura 4. Fotografias das folhas de papel alumínio antes e depois da
sonicação.......................................................................................................... 42
Figura 5. Fenômenos envolvidos quando da sonicação de uma solução
saturada de CCl4............................................................................................... 43
Figura 6. Curvas de titulação das soluções de CCl4 após
sonicação.......................................................................................................... 44
Figura 7. Efeito do tempo de sonicação sobre o pH de uma solução
saturada de CCl4............................................................................................... 45
Figura 8. Fluxograma do experimento de abertura de amostra de SMM por
microondas....................................................................................................... 47
Figura 9. Fluxograma do experimento de extração usando ultra-som ou
agitação magnética........................................................................................... 49
xii
Figura 10. Efeitos do tempo de extração, da concentração de HCl e do
modo de agitação sobre a extração de Cu, Fe, Mn e Zn no SMM-1............... 50
Figura 11. Fotografias dos papéis de filtro empregados na filtração após
extração com ultra-som e agitação magnética................................................. 51
Figura 12. Efeitos do tempo de extração, da natureza da solução extratora e
do modo de agitação sobre a extração de Cu, Fe, Mn and Zn no SMM-1...... 55
Figura 13. Efeito da concentração da solução de HCl sobre a recuperação
de Cu na amostra estudada............................................................................... 57
Figura 14. Fluxograma da extração de Cu realizada da maneira usual com a
amostra SMM-1............................................................................................... 58
Figura 15. Comparação entre as recuperações acumuladas de cobre obtidas
nas frações resultantes da filtração após da extração com ultra-som e
agitação magnética. Filtração sem controle da vazão...................................... 60
Figura 16. Comparação entre as recuperações acumuladas de cobre obtidas
nas frações resultantes da filtração após da extração com ultra-som e
agitação magnética. Filtração com controle da vazão..................................... 61
Figura 17. Avaliação da influência da composição da amostra...................... 63
Figura 18. Fluxograma do estudo da distribuição do Cu entre diferentes
frações do SMM-1........................................................................................... 64
Figura 19. Fluxograma do experimento para determinar o tempo requerido
para extração total de Cu................................................................................. 66
Figura 20. Efeito do tempo de contato entre amostra (SMM-1) e a solução
extratora (HCl 1 mol/L) sobre as recuperações de Cu, Fe, Mn e Zn............... 67
Figura 21. Distribuição espacial da modelagem Doehlert.............................. 71
Figura 22. Representação gráfica dos experimentos realizados na
modelagem Doehlert, com as variáveis codificadas........................................ 71
Figura 23. Representação gráfica dos experimentos realizados na
modelagem Doehlert, com as variáveis assumindo seus valores reais............ 72
xiii
Figura 24. Gráficos de efeitos normalizados (Pareto) para o caso da
extração do cobre empregando radiação microondas...................................... 80
Figura 25. Gráficos de efeitos normalizados (Pareto) para o caso da
extração do ferro empregando radiação microondas....................................... 81
Figura 26. Gráficos de efeitos normalizados (Pareto) para o caso da
extração do manganês empregando radiação microondas............................... 82
Figura 27. Gráficos de efeitos normalizados (Pareto) para o caso da
extração do zinco empregando radiação microondas...................................... 83
xiv
Lista de Tabelas
Tabela 1. Marcos históricos dos estudos em sonoquímica............................. 9
Tabela 2. Concentrações das soluções empregadas na construção de curvas
de calibração dos elementos estudados............................................................ 32
Tabela 3. Parâmetros instrumentais para determinação por absorção
atômica com chama dos elementos estudados................................................. 33
Tabela 4. Programa de aquecimento utilizado para digestão das amostras
em forno de microondas.................................................................................. 36
Tabela 5. Condições experimentais empregadas na otimização do
procedimento de extração assistida por radiação microondas segundo o
planejamento Doehlert...................................................................................... 39
Tabela 6. Características analíticas observadas para os diferentes analitos
estudados.......................................................................................................... 41
Tabela 7. Concentrações dos metais (determinados e tabelados) na amostra
de referência SMM-1....................................................................................... 47
Tabela 8. Influência da potência sobre a extração dos metais no SMM-1..... 54
Tabela 9. Concentrações dos metais (determinados e tabelados) na amostra
SMM-2............................................................................................................. 62
xv
Tabela 10. Distribuição de cobre no SMM-1, de acordo com o experimento
mostrado na Figura 18..................................................................................... 65
Tabela 11. Características de diferentes modelagens empregadas em
otimização multivariada................................................................................... 69
Tabela 12. Resultados obtidos para o planejamento Doehlert para HCl........ 74
Tabela 13. Resultados obtidos para o planejamento Doehlert para HNO3..... 75
Tabela 14. Pontos de máximas recuperações determinados pela modelagem
Doehlert........................................................................................................... 78
Tabela 15. Resultados obtidos na determinação de Cu, Fe, Mn e Zn em
amostras de SMMs encontrados no comércio local empregando as
diferentes metodologias estudadas................................................................... 85
Tabela 16. Correlação entre os procedimentos e a abertura total................... 86
Tabela 17. Correlação entre os procedimentos e a abertura total para Cu
sem as amostras D e E..................................................................................... 87
xvi
1. INTRODUÇÃO
Nas últimas duas décadas um espetacular avanço tecnológico pôde ser
notado na concepção e construção de equipamentos para fins analíticos. Tais
instrumentos atingiram um enorme grau de sofisticação e automação,
permitindo, muitas vezes, que até o próprio analista se mantivesse a margem do
processo de medição. Este fenômeno, indubitavelmente, proporcionou um
grande incremento de produtividade nos laboratórios de análise química, além de
permitir a obtenção rápida de grandes quantidades de dados com extrema
precisão e exatidão. Entretanto, mesmo diante deste quadro, a etapa de prétratamento das amostras continua sendo a mais lenta e propensa a erros em
procedimentos analíticos, podendo levar a grandes desvios nos resultados finais,
limitando a utilização de instrumentação altamente sofisticada e de alto custo.
De um modo geral, um procedimento de análise química pode ser dividido
em distintas etapas como mostrado abaixo:
(1) Definição do Problema. É o primeiro passo no planejamento de uma análise.
Representa a definição exata da informação que se deseja obter.
1
(2) Escolha do método. Uma vez definido o problema pode-se decidir com
detalhes como ele será resolvido, não perdendo de vista os seguintes fatores:
• o método deve ser eficiente e, sempre que possível, simples e rápido;
• não deve causar qualquer perda do constituinte de interesse;
• não deve permitir ou promover a contaminação da amostra;
• mínima manipulação experimental;
• máxima segurança operacional.
(3) Amostragem. É o processo de selecionar e remover uma pequena,
representativa e suficiente parte do todo, a partir da qual será feita a análise.
(4) Pré-tratamento da amostra. Em geral, a amostra deve ser convertida em uma
forma adequada para que se proceda a análise. Somente na mais simples das
situações a amostra poderá ser analisada sem qualquer tipo de pré-tratamento,
que pode ou não incluir alguma forma de pré-concentração/separação.
(5) Calibração. Obtenção de dados analíticos a partir de padrões preparados
adequadamente.
(6) Medição. Obtenção de dados analíticos a partir de medidas na amostra prétratada.
(7) Avaliação. Interpretação dos resultados obtidos a partir das operações feitas
em 5 e 6, incluindo o controle de qualidade através de um procedimento
adequado.
(8) Ação. O resultado analítico será usado na tomada de decisão em relação ao
problema original.
2
Sem dúvida, dentre as etapas listadas acima, a etapa de pré-tratamento é a
mais crítica, pois demanda tempo e, muitas vezes, excessiva manipulação das
amostras, podendo causar perdas e contaminação das mesmas. Ela pode envolver
desde
a
simples
diluição
de
uma
amostra
de
água
até
a
solubilização/decomposição parcial ou total de uma amostra sólida. Deve se ter
em mente que cada amostra deve ser convenientemente tratada antes da medição,
tendo em vista as características da técnica a ser utilizada para tal fim. Vários
procedimentos vêm sendo empregados pelos químicos analíticos na preparação
de amostras com a intenção de alcançar uma condição adequada para a medição
das concentrações analíticas desejadas.
O pré-tratamento de uma amostra em um procedimento analítico também
é, na grande maioria dos casos, a etapa mais custosa e que demanda maiores
habilidades do analista. A preparação de amostras sólidas, muitas vezes implica
em processos de digestão/dissolução e/ou extração dos analitos antes da medida
de suas concentrações. De acordo com Oliveira [2003], um procedimento de
digestão pode consumir até 61% do tempo total gasto no processamento
analítico, podendo ser responsável por até 30% do erro total da análise.
Um procedimento ideal para preparação de amostras deve apresentar
algumas características tais como simplicidade, velocidade, uso de pequenos
volumes de reagentes e ser passível de aplicação em diferentes tipos de amostras
[Santelli et al., 2004]. Na literatura clássica, vários procedimentos de digestão de
amostras podem ser encontrados para aplicação nos mais diversos tipos de
amostras. Entretanto, mais recentemente tecnologias como o uso de radiação
microondas e ultra-som vêm se expandindo de modo significativo nos
laboratórios analíticos devido à sua eficiência e velocidade.
Na determinação de metais em amostras sólidas, os processos de digestão
ácida são comumente empregados a fim de converter o analito em uma forma
3
adequada – solúvel – para a medida. Este procedimento pode ser realizado em
frascos fechados (sob pressão) ou abertos, dependendo da natureza da matriz da
amostra e das concentrações de analito esperadas. Em geral, os procedimentos
realizados em frascos fechados são mais rápidos e eficientes, enquanto que a
utilização de sistemas abertos implica em etapas trabalhosas e tediosas,
possibilitando, ainda, perdas de analitos por volatilização e/ou contaminação das
amostras [Oliveira, 2003; Luque-Garcia e Castro, 2003, Capelo, et al.2003].
A digestão ácida empregando aquecimento induzido por energia de
microondas é uma metodologia atualmente bem estabelecida para o tratamento
de amostras visando a determinação de metais [Bermejo-Barrera et al, 2001].
Esta técnica de digestão, assim como os procedimentos convencionais,
requerem, na grande maioria dos casos, o uso de ácidos concentrados. Embora a
introdução dos fornos de microondas tenha permitido abreviar os tempos de
digestão, a principal limitação desta técnica está relacionada ao alto custo dos
instrumentos empregados. Outras dificuldades associadas ao pré-tratamento de
amostras usando radiação na faixa de microondas são: (1) os altos tempos de
resfriamento requeridos até a abertura dos frascos de alta pressão, embora esta
limitação possa ser contornada pelo uso de fornos de microondas com radiação
focalizada, que trabalham sob pressão atmosférica e (2) a geração de vapores
nocivos, muitas vezes cancerígenos, como conseqüência da destruição da matriz
da amostra.
Por outro lado, a calcinação é também, muitas vezes, limitada, devido a
possíveis perdas de elementos voláteis, a reações dos analitos com o material do
cadinho, pela formação de resíduos de combustão de difícil dissolução e, ainda, a
problemas oriundos da contaminação das amostras [Nascentes et al, 2000].
Diante de tantos problemas enfrentados nos procedimentos de digestão,
metodologias baseadas na simples extração dos analitos presentes nas amostras
vêm se tornando mais populares. Neste contexto, a extração de metais
4
empregando a energia das ondas ultra-sônicas, embora ainda não suficientemente
explorada, porém encorajada pelos resultados recentes [Oliveira, 2003; LuqueGarcia & Castro, 2003; Capelo, et al. 2003], pode ser uma boa alternativa aos
procedimentos de abertura total usando ácidos concentrados. O uso de ácídos
diluídos em extrações usando ultra-som (ou mesmo agitação magnética ou
energia das microondas) não pode ser descartado quando se pensa em
determinações quantitativas. As principais vantagens destes métodos são: baixo
custo, o processamento à pressão atmosférica ou pressões menos agressivas,
pequena
probabilidade
de
ocorrerem
contaminações
e/ou
perdas
por
volatilização além do uso de menor tempo de processamento.
O desenvolvimento de métodos alternativos para o pré-tratamento de
amostras é de grande interesse para a Química Analítica. Neste aspecto,
processos de lixiviação baseados na extração de um ou mais elementos por um
ácido e/ou por um agente oxidante são úteis, pois implicam na solubilização dos
analitos no solvente de lixiviação, sem a decomposição total da matriz da
amostra. Como a destruição da matriz não é necessária, ácidos concentrados não
precisam ser usados, o que conduz a um baixo consumo destes reagentes, a uma
redução dos vapores nocivos gerados e a um menor gasto de tempo no
tratamento da amostra, devido a eliminação das etapas de refrigeração e de
manipulação do extrato. Cabe ainda ressaltar que a ação dos ácidos usados, por
serem diluídos, estão muito mais relacionados a protonação dos ácidos fracos
dos ligantes existentes do que a sua ação oxidante que naturalmente não pode ser
desprezada.
Neste trabalho são apresentados e discutidos métodos de lixiviação e
extração de metais selecionados por ultra-som e o microondas em suplementos
multiminerais/multivitamínicos
5
2. TRATAMENTO DE AMOSTRAS POR ULTRA-SOM E RADIAÇÃO
MICROONDAS PARA A DETERMINAÇÃO DE METAIS
2.1. O Ultra-som
As ondas ultra-sônicas são ondas mecânicas com freqüências maiores que
as audíveis para o ser humano, ou seja, acima de 16 KHz. As ondas ultra-sônicas
se propagam através da matéria, com uma velocidade que pode variar desde
centenas de metros por segundo no ar, até milhares de metros por segundo em
sólidos. Na água e em soluções aquosas diluídas, sua velocidade é da ordem de
1500 m/s. As ondas ultra-sônicas foram assim denominadas por analogia à
radiação ultravioleta já que também não produzem sensação física perceptível
aos seres humanos.
A descoberta do ultra-som ocorreu em 1880, por Pierre e Jacques Curie,
quando estudavam o efeito piezoelétrico, que consiste na variação das dimensões
físicas de certos cristais e cerâmicas quando são submetidos a campos elétricos.
É conhecido que certos materiais, ao receberem uma tensão alternada em suas
faces opostas, produzem expansões e contrações alternadas, na freqüência
imposta. Caso a freqüência de compressão e expansão da superfície do cristal
seja maior que 20 Hz, há produção de som. Por sua vez, cristais desta mesma
6
classe, quando submetidos à compressão, produzem uma diferença de potencial
entre as faces perpendiculares. Este é, inclusive, um dos princípios empregados
para a construção de balanças de alta sensibilidade. São exemplos destes
materiais, cristais de quartzo e cerâmicas como titanato de bário e zirconato de
chumbo.
A mais primitiva forma de um transdutor ultra-sônico foi um “apito”,
desenvolvido por Francis Golton em 1883, que permitiu a elaboração de uma
tabela mostrando os limites da audição humana e animal. Entretanto, Paul
Langevin é considerado o pai do ultra-som, provavelmente devido ao fato de
haver apresentado um trabalho numa competição criada em 1912 com o intuito
de desenvolver novas técnicas para o estudo da topografia do fundo do mar
[Martines, et al. 2000]. Esta competição foi organizada após o naufrágio do
Titanic, como resultado do acidente ocorrido. O trabalho de Langevin resultou
no que hoje conhecemos com o nome de SONAR (SOund Navigation And
Ranging). O funcionamento do SONAR se baseia no envio de um pulso ultrasônico a partir da quilha da embarcação para o fundo do mar, onde é refletido.
Como o intervalo de tempo entre o envio e recebimento do pulso (detectado na
própria quilha) é igual ao dobro do tempo necessário para percorrer a distância
entre a quilha e o fundo, é possível, calcular a profundidade do mar num dado
ponto. Este princípio também se aplica à detecção de outros corpos estranhos,
como icebergs, que podem ser assim detectados, mesmo a grandes distâncias.
Posteriormente, Thornycroft e Barnaby [Barbosa e Serra, 1992], arquitetos
navais, construtores do primeiro torpedeiro para a Marinha Real Britânica,
observaram que uma rápida erosão ocorria nos propulsores dos torpedos, devido
a um efeito denominado cavitação, causado pelo giro em grande velocidade dos
próprios propulsores. A cavitação é um termo associado à formação de bolhas ou
cavidades, cujo colapso implosivo vem acompanhado de enorme turbulência,
7
calor e pressão, que seriam transmitidos à superfície dos propulsores, causando
corrosão.
O ultra-som de alta potência é capaz de gerar ondas acústicas, que ao
passarem através de um meio líquido, produzem cavitação acústica. Este efeito é
considerado pela unanimidade dos autores como o responsável pela
Sonoquímica, que é a área da Química que estuda as transformações químicas
causadas pelas ondas ultra-sônicas.
Em 1927, Alfredo Loomis foi o primeiro químico a reconhecer o efeito
anômalo de ondas sonoras intensas propagando-se através de um meio líquido,
causando cavitação e interferindo em fenômenos químicos. Ele publicou no
Journal of American Chemical Society o primeiro artigo sobre o efeito químico
do ultra-som [Richard & Loomis, 1927].
Um grande desenvolvimento da Sonoquímica ocorreu a partir da década
de 80, com a disseminação de fontes de ultra-som baratas e confiáveis de alta
intensidade. Nesta década, a Sonoquímica sofreu grande avanço e muitos
trabalhos foram publicados aplicados a diferentes sistemas. Na Tabela 1, estão
relacionados os marcos históricos dos estudos em Sonoquímica.
De um modo geral, o número de trabalhos apresentados em Sonoquímica
tem aumentado nos últimos anos como pode ser visto na Figura 1, evidenciando
o aumento de interesse nesta área da Química. No Brasil poucos são os grupos de
pesquisa que se dedicam especificamente ao estudo e aplicação do efeito das
ondas ultra-sônicas em Química Analítica. Neste contexto deve-se destacar o
grupo do Prof. Dr. Mauro Korn, da Universidade Estadual da Bahia.
Os equipamentos geradores de ondas ultra-sônicas podem ser divididos em
dois grupos: os de alta e baixa potência; sendo o de alta potência causador de
mudanças físicas e químicas graças ao efeito da cavitação. Já os de baixa
potência têm como principal aplicação os testes não destrutivos, como os usados
em engenharia e medicina.
8
.
Tabela 1. Marcos históricos dos estudos em sonoquímica.
Ano
Fato
1867
Primeira observação do fenômeno de cavitação
1880
Descoberta do efeito piezoelétrico
1883
Construção do primeiro transdutor ultra-sônico
1927
Publicação no Journal of American Chemical Society do
primeiro artigo sobre o efeito químico de ondas ultra-sônicas
1933
Observação do fenômeno da sonoluminescência
1943
Depósito da patente do primeiro banho a base de ultra-som
1953
Publicação da primeira revisão sobre os efeitos químicos do
ultra-som
1986
Primeiro encontro científico internacional sobre Sonoquímica
1990
Fundação da Sociedade Européia de Sonoquímica
* Adaptada de Korn [2000].
400
Trabalhos Publicados
350
300
250
200
150
100
50
0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
Ano
Figura 1. Trabalhos publicados na área de Sonoquímica entre 1990 e 2000
[Korn, 2000]. Os dados do ano de 2000 se referem ao período de janeiro a abril.
9
As ondas ultra-sônicas podem ser empregadas, dentre outras aplicações, na
preparação de amostras para fins analíticos, seja em processos de extração e/ou
na dissolução de espécies químicas presentes em amostras sólidas. Os
fundamentos para aplicação do ultra-som, nesses processos, estão relacionados
às ondas de choque, resultantes da aplicação do campo acústico sobre um meio
material. Essas ondas acentuam a interação entre a fase líquida e a superfície dos
sólidos, aumentando a concentração das espécies presentes na fase líquida.
Uma série de experimentos realizada com ultra-som, em sistemas
heterogêneos e homogêneos, demonstrou que os efeitos dessas ondas mecânicas
não devem ser considerados de uma forma simplista, ou seja, apenas como um
eficaz sistema de agitação. Atualmente, duas teorias procuram explicar as altas
energias associadas ao uso de ultra-som. A primeira e mais conhecida é a teoria
do “ponto quente”, que atribui às altas temperaturas associadas à implosão da
bolha de cavitação a liberação de grandes quantidades de energia. A segunda
teoria admite que a energia liberada é proveniente tanto da implosão quanto da
fragmentação das bolhas de cavitação, com a conseqüente formação de fortes
campos elétricos devido ao segundo fenômeno [Lepoint e Mullie, 1994].
Ambas as teorias se baseiam na criação das bolhas de cavitação e admitem
que nelas ocorrem fenômenos similares àqueles observados em micro-reatores
químicos, nos quais condições extremas ocorrem, especialmente durante o
colapso das bolhas. Sendo assim, é da maior importância procurar entender o que
acontece durante o nascimento, crescimento e colapso da bolha.
As ondas ultra-sônicas, como todas as ondas sonoras, consistem de ciclos
de compressão e expansão. Os ciclos de compressão exercem uma pressão
positiva sobre o líquido, juntando as moléculas, enquanto os ciclos de expansão
exercem uma pressão negativa, afastando as moléculas umas das outras [Suslick,
10
1995]. Uma boa imagem deste fenômeno foi proposta por Martines [2000],
fazendo uma analogia com o diapasão.
As moléculas de um líquido são mantidas juntas por força de interações
intermoleculares, que acabam por determinar a tensão superficial do líquido.
Para formar uma cavidade é preciso gerar, durante o ciclo de expansão da onda
sonora, uma grande pressão negativa, capaz de superar a tensão superficial do
líquido. A magnitude da pressão negativa necessária depende do tipo e da pureza
do líquido. Para líquidos realmente puros, as tensões superficiais são tão grandes
que não é possível, com os geradores atuais de ultra-som, produzir uma pressão
negativa suficiente para a ocorrência de cavitação. No caso da água pura, por
exemplo, seria necessária uma pressão negativa da ordem de 1000 atm para que
ocorresse a formação de cavidades. Entretanto, Os aparelhos atualmente
disponíveis não conseguem gerar mais do que 50 atm de pressão negativa.
A explicação mais comumente usada está baseada na existência de
partículas invisíveis ou bolhas de gás, que enfraquecem as forças
intermoleculares, possibilitando a criação da bolha.
De modo geral, a maioria dos líquidos está contaminada por pequenas
partículas para iniciarem a cavitação. Korn et al [2001] propõem a adição de
detergente na água para diminuir a tensão superficial, facilitando a cavitação.
Uma bolha dentro de um líquido é inerentemente instável. Se a bolha é
grande, ela flutuará e arrebentará na superfície, sendo pequena, ela se
redissolverá dentro do líquido. Uma bolha irradiada com ultra-som absorve
continuamente energia, a partir de ciclos alternativos de compressão e expansão
da onda sonora. Isto faz com que as bolhas cresçam e se contraiam,
estabelecendo um equilíbrio dinâmico entre o vapor interno da bolha e o líquido
externo. Em certos casos, as ondas ultra-sônicas sustentarão uma bolha, que
simplesmente oscilará em tamanho. Em outros casos, o tamanho médio da bolha
crescerá. O crescimento da cavidade depende da intensidade das ondas ultra11
sônicas. Ultra-som de alta intensidade pode expandir a cavidade tão rapidamente,
durante o ciclo de pressões negativas, que a cavidade nunca tem chance de
encolher durante o ciclo de compressão. Para ultra-som de baixa intensidade, o
tamanho da cavidade oscila em fase com os ciclos de expansão e compressão. A
área da superfície de uma cavidade produzida por ultra-som de baixa intensidade
é ligeiramente maior durante os ciclos de expansão, do que durante os ciclos de
compressão. Isto significa dizer que o gás que entra na bolha é maior que o que
sai da bolha, acarretando um crescimento da mesma, a cada ciclo de onda. A
cavidade em crescimento pode, eventualmente, atingir um tamanho crítico, onde
ela absorverá mais eficientemente energia do ultra-som.
O tamanho crítico depende da freqüência do ultra-som. Em 20kHz, por
exemplo, o tamanho crítico é uma cavidade de aproximadamente de 170 µm de
diâmetro. Quando uma cavidade experimenta um crescimento muito rápido,
devido a alta ou baixa intensidade do ultra-som, ela não consegue mais absorver,
de forma eficiente a energia ultra-sônica . Sem esta energia, a cavidade não
consegue mais se sustentar, acontecendo uma invasão do líquido e a bolha
implode. A implosão das cavidades estabelece um meio ambiente inusitado para
reações químicas. A compressão adiabática rápida, de gás e vapor dentro da
bolha, gera intenso calor, que aumenta a temperatura do líquido, que envolve
imediatamente a cavidade, criando uma região extremamente quente denominada
“ponto quente” que é muito pequena mas que tem alta temperatura acarretando,
na implosão, uma rápida dissipação deste calor. A temperatura da solução ou
suspensão aumenta muito pouco devido ao colapso da bolha.
A temperatura da cavidade de implosão, não pode ser medida com um
termômetro físico, pois o calor é dissipado muito rapidamente para ser
registrado. Segundo Suslick et al [1997, 1999], a velocidade de dissipação do
calor é de cerca de um bilhão de graus por segundo.
12
Através de medidas cinéticas, Hammerton [apud, Suslick, 1989] descobriu
duas regiões nítidas associadas com a temperatura de implosão da cavidade: (i) o
centro da bolha, onde o gás e o vapor atingem a temperatura de 5500oC
(temperatura da superfície do sol) e (ii) o líquido que envolve imediatamente a
cavidade (com tamanho aproximado de 200 nm), cuja temperatura pode atingir
1900-2100oC. Estas 2 regiões foram representadas esquematicamente por
Barbosa & Serra [1992]. Neste mesmo trabalho, as pressões a que são geradas as
bolhas foram estimadas em 500 - 1000 atm, a partir dos valores de temperatura
citados acima.
As velocidades das reações químicas, quase sempre, aumentam com o
acréscimo da temperatura. Por sua vez, as reações sonoquímicas sofrem efeitos
contrários, sendo verificada uma diminuição de sua velocidade com o aumento
da temperatura do sistema. Isto acontece, pois, com o incremento da temperatura
ocorre um aumento da pressão de vapor do líquido, fazendo com que as bolhas
passem a conter mais vapor, o que contribui para um aumento da sua
estabilidade. Obviamente, esta estabilização das bolhas de cavitação tem como
resultado uma diminuição da quantidade de implosões [Mason et al., 1990; Flint
e Suslick, 1991; Suslick e Mdleleni, 1997].
As reações fotoquímicas dependem fortemente da freqüência da radiação
aplicada, enquanto as reações sonoquímicas não dependem de modo
significativo deste parâmetro pois, apesar da freqüência alterar o tamanho crítico
da bolha de cavitação, não há mudança significativa do número de implosões
[Suslick 1991].
Atualmente, têm-se bons controles sobre as reações sonoquímicas. Os
aspectos que definem a magnitude do processo reacional são a freqüência e a
intensidade da onda ultra-sônica, a temperatura ambiente, a pressão estática, o
tamanho de partícula (no caso de reações heterogêneas) e a natureza do líquido e
do gás presentes no meio reacional. O modo como estes fatores influenciam o
13
fenômeno da cavitação acústica, não são comuns na Química. Os gases
dissolvidos em uma solução, em geral, têm efeito pouco significativo em uma
reação química, porém, são de grande importância nas reações sonoquímicas. Se
o gás for, por exemplo, bom condutor de calor, a reação pode até não acontecer.
Por causa deste efeito, o uso de He, ao invés de Ar, pode modificar fortemente as
características de uma reação sonoquímica [Mason,et al. 1990; Flint e Suslick
1991, Suslick e Mdleleni, 1997].
As dinâmicas de crescimento e implosão da cavidade são fortemente
dependentes das condições locais, incluindo a natureza das soluções e/ou
suspensões sonicadas. Com isto podem ser tecidas considerações importantes em
relação aos procedimentos de lixiviação, já que os diversos tipos de meios
podem ser agrupados em: soluções homogêneas, suspensões heterogêneas
liquido-líquido, suspensões com superfícies sólidas e suspensões com partículas
sólidas [Suslick et al. 1999].
A sonoquímica de soluções homogêneas depende, principalmente, dos
efeitos físicos do rápido aquecimento e resfriamento, provocados pela implosão
das cavidades. Birkin et al. [2001] apresentaram provas experimentais de que o
calor das implosões decompõe a H2O em radicais livres H• e •OH e que durante
o resfriamento, formam H2 e H2O2, responsáveis por reações de oxi-redução.
Outros radicais são obtidos com outros solventes, acarretando diferentes reações
[Flint e Suslick 1989, Borges e Korn, 2002].
A sonoquímica de dois líquidos imiscíveis é grandemente aumentada em
virtude de como o ultra-som emulsifica a mistura e impede que as microbolhas
geradas voltem a se juntar. Várias reações orgânicas têm sua velocidade e
reatividade alteradas em função deste fenômeno [Suslick, 1989, Barbosa e
Serra., 1992,.Martines et al. 2000].
A sonoquímica em sistemas heterogêneos (sólido-líquido) tem uma
dinâmica de implosão das bolhas diferenciada. A perda da simetria, devido à
14
presença do sólido, modifica as implosões esféricas observadas nos sistemas
homogêneos. A presença de uma superfície distorce a pressão do campo ultrasônico, causando uma implosão assimétrica. Isto gera um jato de líquido dirigido
à superfície, que possui uma velocidade média da ordem de 400 km/h. Erosão de
superfícies sólidas, abrasão de coberturas inativas e fragmentação de pós
quebradiços são conseqüências da aplicação deste jato, bem como do choque das
ondas a partir da implosão da cavidade [Suslick, 1989; Suslick e Doktycz, 1988;
Barbosa e Serra 1992]. Além disso, estes processos são facilitados em função das
altas temperaturas e pressões geradas próximo à superfície. Korn [2000]
apresenta imagens de superfícies metálicas de Zn e Pt erodidas por ação de ondas
ultra-sônicas com freqüência de 20 kHz, em água desionizada.
Por outro lado, a Sonoquímica de suspensões contendo partículas sólidas
depende, de modo significativo, das ondas de choque e campos elétricos gerados
pelo ultra-som. Este fenômeno tem como principal conseqüência o movimento
das partículas, que chegam atingir velocidades de 500 km/h, causando choques,
que geram a fusão das partículas no ponto do impacto. Esta fusão melhora a
reatividade do metal, modificando a morfologia superficial, o que facilita a
extração pela retirada da cobertura de óxidos metálicos [Suslick,, 1989, Suslick
et al. 1999, Suslick e Doktycz, 1989].
A lixiviação assistida por ultra-som é considerada por vários autores
[Luque-Garcia e Castro, 2003, Ashley, 1998] um modo eficiente de extrair
espécies metálicas presentes em diferentes tipos de amostras. As altas
temperaturas (aumentam a solubilidade e a difusibilidade) e pressões (as quais
ajudam a penetração e o transporte) formadas na interface entre as soluções
aquosas e/ou orgânicas e as matrizes sólidas, submetidas à energia ultra-sônica,
combinadas com o poder oxidativo dos radicais formados durante a sonólise,
podem resultar em uma alta eficiência extrativa.
15
2.2. Radiação Microondas
O tratamento de amostras para dissolução mediante o aquecimento com
radiação microondas tem demonstrado ser um processo mais rápido, eficiente e
seguro em comparação ao aquecimento convencional. Além disso, o uso de
recipientes fechados durante o tratamento minimiza as possibilidades de
contaminação das amostras e diminui o número de reagentes necessários para
converter a amostra em solução, tornando-a adequada para a determinação dos
analitos de interesse. A existência no mercado de um grande número de
fabricantes de fornos de microondas desenhados especificamente para uso em
laboratórios, é uma indicação do sucesso da preparação de amostras assistida por
microondas.
O uso de reagentes em baixas concentrações tem sido pouco explorado,
porém uma investigação a este respeito para determinadas lixiviações pode ser
uma alternativa que traria benefícios nas áreas de saúde e ambiental.
Coletâneas de métodos são oferecidas pela maioria dos fabricantes desses
sistemas que vêm sendo usados numa grande variedade de amostras entre as
quais podem ser citadas: fluidos biológicos, amostras de interesse geológico,
metalúrgico, águas residuais, efluentes industriais, alimentos, polímeros etc.
Um
forno
fundamentalmente,
de
dos
microondas
seguintes
para
propósitos
componentes:
analíticos
magnetron,
consta,
guia
para
microondas, distribuidor de ondas, cavidade, frasco de reação e bandeja rotatória
ou rotor (Figura 2).
16
Figura 2. Diagrama esquemático de um forno de microondas com frasco
fechado [Krug, 2003].
A radiação microondas produzida pelo magnetron é transportada através
do guia de microondas para a cavidade, onde é dispersada pelo distribuidor em
direções específicas, permitindo uma melhor irradiação da zona próxima ao
centro da cavidade. Graças à bandeja rotatória, a radiação se distribui de forma
homogênea e reprodutível sobre os frascos reacionais.
O principal componente do forno de microondas é o magnetron que
consiste da combinação de um anodo, um catodo e uma série de cavidades de
ressonância, todos arrumados em geometria cilíndrica.. Rente ao catodo é gerado
um campo magnético. Quando se aplica uma voltagem através dos eletrodos,
geram-se elétrons que entram em ressonância sob a influência do campo
magnético. Isto produz oscilações do magnetron. Nestas condições, os elétrons
cedem energia em freqüências fixas ou variáveis, que são irradiadas. Os
magnetrons de todos os fornos microondas comerciais emitem radiação na
freqüência fixa de 2450 MHz. A potência da energia elétrica que os magnetrons
17
recebem é de aproximadamente 1200 W, sendo que aproximadamente a metade
(600-700 W) é convertida em energia eletromagnética.
A potência de radiação emitida pelo magnetron é controlada mediante a
fixação de ciclos de operação de forma descontínua. Esses “ciclos de trabalho”
definem a relação de tempo na qual o magnetron permanece ativo ou inativo.
Existem fornos que apresentam 2 magnetrons e que garantem uma maior e
mais homogênea transferência de energia para os frascos de reação. O número de
bombas de digestão pode variar de 1 a 24, apresentando volumes internos que
variam de 25 a 120 mL, dependendo do fabricante. Podem ser equipados com
sensores de pressão e temperatura individuais ou coletivos baseados em
termometria com sensores de fibras óticas e outros transdutores, o que permite
que a pressão e, conseqüentemente, a temperatura possam ser ajustadas e
monitoradas a valores programados, em qualquer momento do processo.
Os recipientes para digestão (frasco de reação) devem cumprir várias
condições como: a) transparência às microondas; b) resistência a deformações
com o aumento da temperatura; c) baixa porosidade; d) baixa adsorção e e)
contaminação mínima. Os materiais mais usados para a fabricação dos vasos ou
copos de reação são o PTFE (TeflonTM), PFA (perfluoroalcoxi) e o TFMTM
(PTFE modificado). Os materiais preferidos são o PFA e TFM por apresentarem
melhor desempenho que o Teflon.
As relações teóricas que regem a interação da radiação de microondas com
a amostra e os reagentes utilizados para a digestão são basicamente aquelas que,
de uma forma geral, regulam a interação entre matéria e energia. Obviamente, o
tipo específico da radiação restringe as considerações e os efeitos da energia
sobre a amostra e os reagentes presentes durante a ação das microondas no
sistema. Na frequência de 2450 MHz e com uma potência que pode chegar a
1100 - 1200W, os sistemas de microondas de uso doméstico e laboratorial são
capazes de fornecer até 262.900 cal/min. As ligações químicas não são
18
quebradas pela ação da radiação de microondas já que a energia quântica é muito
pequena (0,0016 eV) quando comparada com a energia necessária para quebrar
uma ligação química (H-OH; 5,2 eV).
A forma de aquecimento da radiação de microondas é diferente daquela
conhecida como condutiva, mais familiar aos químicos, pois o aquecimento
pelas microondas envolve a absorção direta de energia pelo material que está
sendo aquecido.. A absorção de radiação de microondas por determinado
material leva a um aumento considerável em sua temperatura, devido,
principalmente, à interação da radiação eletromagnética com os íons dissolvidos
no meio e com o solvente, provocando os fenômenos conhecidos como migração
iônica e rotação de dipolos. A ocorrência destes dois processos resulta em um
movimento das moléculas no meio que também contribui para o aquecimento do
mesmo.
A migração iônica consiste no movimento eletroforético dos íons
dissolvidos de algum ponto para outro no interior do meio. A razão para este
movimento é a interação das espécies iônicas e o campo magnético oscilante da
radiação eletromagnética. A resistência ao movimento dos íons causado por
espécies que tem fluxo oposto gera perdas do tipo Ri2 (produção de calor)
provocando um aumento da temperatura do meio nas vizinhanças de cada íon
que migra. O aumenta da temperatura por sua vez acarreta o movimento dos íons
provocando um efeito do tipo “avalanche”. Cada íon contribui para o processo de
aquecimento que depende de sua concentração e mobilidade, sendo que esta
depende do tamanho, carga , condutividade e temperatura do íon.
As moléculas portadoras de momento dipolar induzido ou permanente
sofrem o efeito do alinhamento e desalinhamento devido ao campo elétrico
gerado pelas ondas eletromagnéticas, que são positivas e negativas
alternadamente. A desordem das moléculas é aumentada assim como a agitação
transformando em calor a energia absorvida para o realinhamento das moléculas.
19
Este fenômeno é chamado de rotação de dipolo e depende da freqüência e do
tempo de relaxação da amostra, que por sua vez depende da temperatura e da
viscosidade do meio.
Os materiais diferem na sua habilidade de conversão da energia
eletromagnética das microondas em energia térmica (calor). É então necessário
conhecer o fator de dissipação de energia do meio que representa a capacidade
de cada material em absorver energia das microondas. Esta absorção está
diretamente relacionada com o grau de penetração da radiação no material. A
penetração é nula nos materiais que refletem microondas, como os metais sendo
infinita em meios transparentes (quartzo e Teflon são praticamente
transparentes).
Quando ocorre absorção, a penetração vai depender fundamentalmente da
relação entre o fator de perda (€’’) e a constante dielétrica (€’) do meio
considerado. Esta relação é conhecida como fator de dissipação e representado
por tan δ, sendo expressa pela razão entre o fator de perda e a constante
dielétrica (tan δ = €’’/€’) que permite avaliar a dissipação de calor por
resistência à passagem das microondas. O aumento da temperatura diminui tan δ
acarretando uma menor transformação da energia absorvida em calor. A água
apresenta um alto valor de tan δ em comparação a outros materiais.
Por razões óbvias é necessário se conhecer bem o efeito das microondas
sobre a água. Como esta é uma molécula pequena, inicialmente o aquecimento
da água por absorção de radiação microondas é dominada pela contribuição da
rotação dipolar. Porém, à medida que a temperatura aumenta, a migração iônica
também aumenta e a contribuição relativa da rotação do dipolo diminui.
Portanto, com o aumento da temperatura, a contribuição da migração iônica
aumenta torna-se mais importante. Soluções diluídas absorverão menos, pois o
aumento da temperatura reduz a absorção devida ao fenômeno da rotação dipolar
20
e soluções mais concentradas terão aumento da absorção devido ao fenômeno da
migração iônica.
2.3. Preparo de Amostras Empregando Ultra-som e Microondas com Frasco
Fechado: O Estado da Arte
A busca por novos procedimentos que sejam rápidos, de fácil execução e
que demandem menores quantidades de reagentes, tem sido um dos grandes
propulsores da pesquisa na área de Química Analítica nos últimos anos. Dentro
deste contexto, a popularização do uso de radiação de microondas, para fins de
pré-tratamento de amostras, pode ser tomado como o exemplo mais marcante
deste fenômeno, com um número expressivo de trabalhos sendo publicados a
cada ano, empregando os mais diversos dispositivos (fornos pressurizados e à
pressão atmosférica, muflas e extratores Soxhlet) [Oliveira, 2003, Luque-Garcia
e Luque de Castro, 2003]. Também, e por certo, de modo bem menos intenso, a
energia
presente
nas
ondas
ultra-sônicas
vem
sendo
explorada
no
desenvolvimento de metodologias para extração de espécies químicas em
diferentes tipos de amostra.
Filgueiras et al. [2000] discutiram as vantagens e as desvantagens na
utilização da energia das ondas ultra-sônicas para a extração de metais, quando
comparado ao uso da radiação de microondas. Os autores apresentaram um
método para extração ácida (com HCl 0,3 % v/v durante 3 min) de alguns
elementos metálicos (Mg, Mn e Zn) presentes em tecidos vegetais, com auxílio
de uma sonda ultra-sônica operando a 30 % de sua amplitude máxima. Os metais
foram posteriormente determinados por FAAS e os resultados apresentaram
concordância estatística com os encontrados na digestão via forno de
microondas.
21
O mesmo grupo de pesquisa [Pérez-Cid et al. 1999] avaliou a
possibilidade de empregar a energia das ondas ultra-sônicas na aceleração do
procedimento de extração seqüencial desenvolvido por Tessier [Tessier et al.
1979]. O procedimento foi aplicado na extração de Cu, Cr, Pb e Zn presentes em
lodos provenientes de esgoto doméstico, necessitando de um tempo muito menor
(cerca de 1 h) para completar as 5 etapas de extração previstas no método
convencional. Problemas relacionados à extração de Cu (etapas 3 e 4) e Zn
(etapa 4) são relatados pelos autores. Em outro trabalho, de natureza similar,
Peréz-Cid et al. [1998] desenvolveram uma metodologia para a extração
seqüencial de Cu, Cr, Ni, Pb e Zn em amostras de lamas retiradas de água de
esgoto urbano. Neste caso foi empregada uma sonda ultra-sônica para diminuir o
tempo de extração necessário, em cada uma das 3 etapas previstas no
procedimento.
Ainda no campo das extrações seqüenciais, Marín et al. [2001]
propuseram um procedimento baseado na utilização da energia ultra-sônica, para
avaliação da biodisponibilidade de Zn e As em solos. Foram testados esquemas
de extração seqüencial e extração simples com DTPA (ácido dietileno-triaminopentaacético), sendo que apenas o procedimento de extração simples foi
adaptado para uso de energia ultra-sônica (sonda). Os autores observaram que a
agitação mecânica poderia ser facilmente substituída pela aplicação de ultra-som,
com evidentes ganhos em termos de tempo. Os resultados obtidos na extração de
Zn e As em amostras reais, foram validados por comparação com o
procedimento tradicional.
O grupo de Bermejo-Barrera et al. [1999, 2001] otimizou duas
metodologias de extração empregando ultra-som, aplicadas à determinação de
metais. Em ambos os casos, planejamentos experimentais baseados no modelo
de Plackett-Burman foram utilizados com vistas à otimização multivariada das
variáveis envolvidas e a espectrometria de absorção atômica com forno de grafite
22
(GFAAS) foi empregada como técnica de detecção dos metais nos extratos. No
primeiro trabalho [1999], Cd, Cr, Hg e Se foram extraídos de cabelo humano
empregando soluções ácidas contendo HNO3 e HCl na faixa de concentração
entre 3,3 e 4,8 mol/L e peróxido de hidrogênio a 0,5 mol/L. Além destes
parâmetros, foram estudadas as influências do tempo de exposição, da
temperatura do banho ultra-sônico e do tamanho de partícula. Já no segundo
trabalho [2001], a lixiviação ácida induzida por banho de ultra-som foi
empregada na determinação de traços de metais (As, Ca, Cd, Cr, Cu, Fe, Hg,
Mg, Mn, Pb, Se e Zn) em amostras de frutos do mar liofilizados.
Ashley [1998], em um interessante artigo de revisão, discute a viabilidade
do uso de ondas ultra-sônicas para a preparação de amostras de interesse
industrial, sempre visando a determinação de metais pesados. Entre os métodos
discutidos no trabalho, pode-se destacar o uso de ultra-som na extração de
chumbo em amostras de particulado atmosférico indoor, especiação de cromo
em distintas matrizes e extração multielementar simultânea de 14 elementos em
amostras de filtros de fibra de vidro. O autor ainda alerta para a utilidade do
ultra-som nos procedimentos de campo, devido a sua simplicidade, facilidade de
uso, velocidade e aumento da segurança na comparação tradicionais na
preparação de amostras.
Ruiz-Jiménez et al. [2002] propuseram a utilização de ultra-som em um
sistema dinâmico fechado, com circulação contínua da solução extratora, para a
extração quantitativa de Cd e Pb presentes em folhas de plantas. O sistema
mostrou-se eficiente para a preparação da amostra antes da determinação dos
metais por GFAAS. Excelente exatidão foi observada na determinação destes
metais em materiais certificados de referência.
Nascimento et al. [2001] propuseram um método para a extração de Ca,
Mg, Mn e Zn em amostras de vegetais (hortaliças), usando banho de ultra-som.
Nas condições otimizadas (extração com HNO3 0,14 mol/L, tempo de sonicação
23
de 10 min e tamanho de partícula < 75 µm) recuperações entre 96 e 100% foram
obtidas para todos os metais analisados, quando o procedimento foi comparado
com a digestão total das amostras. Ainda, materiais certificados foram analisados
a fim de atestar a exatidão da metodologia desenvolvida.
Al-Merey et al. [2002] descreveram um método para a lixiviação ácida em
banho de ultra-som de solos do Oriente Médio (Síria). O tempo de sonicação
otimizado foi de 4h, sendo que, nesta condição, as recuperações foram
semelhantes àquelas obtidas pelo uso de técnicas convencionais para Zn, Pb e
Cu, enquanto que Sr, Mn, Fe, Al, Cr, Co e Ni foram recuperados apenas
parcialmente. Materiais certificados foram usados para avaliar a exatidão do
procedimento desenvolvido para a determinação de Zn, Pb e Cu.
Luque-Garcia e Luque de Castro [2003] apresentaram uma revisão,
alertando para a importância do uso de ultra-som em processos de lixiviação
quando comparados com os métodos tradicionais, onde discutem as vantagens e
as desvantagens do método assistido com ultra-som. Outra revisão foi
recentemente apresentada por Capelo et al. [2003], fazendo comparação entre o
uso de ultra-som de banho e o ultra-som de sonda e analisando os fatores que
interferem na extração.
Carvalho et al. [1995] estudaram o efeito da irradiação ultra-sônica na
extração de espécies químicas presentes em material particulado atmosférico. Os
autores observaram que, empregando água ou acetona, diversas espécies
aniônicas podem ser geradas como resultado do uso do ultra-som para extração,
levando à interpretação errônea dos resultados analíticos.
As ondas ultra-sônicas também vêm sendo empregadas, com razoável
freqüência, na extração de substâncias orgânicas em diferentes matrizes. Neste
contexto, alguns trabalhos importantes podem ser relacionados. Babic et al.
[1998] extraíram pesticidas (atrazina, profam, cloroprofam, difluorobenzuron, αcipermetrina, tetrametrina) presentes em solos utilizando ultra-som. Os
24
resultados obtidos demonstraram que a utilização do ultra-som proporcionou
eficiência similar aos métodos tradicionais de extração (agitação mecânica e
Soxhlet), apresentando, como vantagens, menores tempos de extração além do
gasto de menores volumes de solvente. Os pesticidas foram determinados por
cromatografia em camada fina, sendo a exatidão do método avaliada
empregando-se testes de recuperação.
Palma et al. [2002] otimizaram um método de extração assistida por sonda
de ultra-som, para determinação dos ácidos maléico e tartárico em uvas,
empregando um planejamento fatorial fracionado. Sete variáveis foram testadas
sendo que, as que apresentaram efeitos mais importantes foram a temperatura de
extração e a natureza do solvente empregado. A quantificação dos ácidos
extraídos foi efetuada por cromatografia a líquido. Nas condições ideais (30 min
de exposição a 200 W e 24 kHz) foram obtidas boas exatidão e repetibilidade.
Carpinteiro et al. [2001] desenvolveram um procedimento rápido e
simples para lixiviação simultânea de fenil-estanho e mono, di e tributil-estanho
em amostras de sedimento com auxilio de um banho de ultra-som. Recuperações
entre 70 e 90% e uma precisão entre 3 e 10 % foram obtidas na aplicação do
procedimento com ultra-som.
Pino et al. [2001] publicaram estudo referente à extração ultra-sônica
(usou ultra-som de banho) de hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPAs)
em sedimentos marinhos. A extração foi realizada em meio micelar utilizando o
Polioxietileno-10-lauril éter como agente surfactante. Planejamentos fatoriais
foram utilizados para a otimização dos parâmetros da extração, sendo observado
que o fator concentração do surfactante era o mais importante. As análises dos
extratos foram realizadas por CLAE com detecção por UV. A média de
recuperação foi de 86,7-106,6%, com desvio padrão situado entre 2,02-6,83%
para (HPAs) com um numero de anéis maior que três. Pereira Netto et al. [2002,
25
2006] empregaram esta técnica de extração para a determinação de HPAs em
diferentes amostras de origem ambiental.
Hromádková et al. [2003] compararam a extração dos componentes da
hemicelulose presentes em cascas de trigo, com e sem a aplicação de ultra-som
(sonda). Os autores observaram que o rendimento da extração com o uso de
ultra-som foi maior e manteve as propriedades moleculares e estruturais, bem
como atividade imunológica das substâncias pesquisadas.
Muitos métodos para tratamento de amostras sólidas podem ser
encontrados na literatura usando microondas com frascos fechados. Eles são
recomendados nos casos em que é preciso aproveitar o efeito de altas
temperaturas para dissolver amostras de “difícil” decomposição ou nas quais se
pretende determinar componentes voláteis. Em geral, as vantagens preconizadas
para digestão assistida por microondas em frascos fechados são a maior
eficiência na dissolução em altas temperaturas, risco reduzido de perdas de
analitos por volatilização, risco reduzido de contaminações devidas ao ambiente
de trabalho e menor consumo de reagentes de alta pureza [Krug, 2003].
Nowinsci e Hodge [1994] usaram água régia para uma rápida dissolução
de amostras de origem geológica para a determinação de metais do grupo Au e
Pt. Para isso 10g de amostra foram misturadas com 30mL de água régia e a
reação prosseguiu por 15 min. Os frascos foram selados e as amostras irradiadas
por 20 min com 500 W. Depois do aquecimento, as soluções foram filtradas,
diluídas com água para 100 mL e analisadas por ICP-OES para diversos
elementos (Ru, Rh, Pd, Ir, Pt e Au). Embora os resultados fossem dependentes
das matrizes, os autores consideraram bom os resultados obtidos. Nesta linha,
Totland et al. [1995] usaram uma mistura ácida (HNO3 – HCl –HF – HClO4)
para dissolução de amostra de minério em microondas pressurizado.
Javis et al. [1997] verificaram que a abertura de amostras de minerais com
material refratário com resultados quantitativos só era alcançada após dupla
26
digestão no microondas com minifusão. Zehr et al. [1994] usaram soluções de
NaOH e LiOH, na presença de H2O2 para dissolver tungstênio e óxido de
molibdênio.
A determinação de elementos terras raras em carvão pulverizado foi
realizada por Watking et al. [1995]. A digestão ácida assistida por microondas
possibilitou ganho de tempo. Doze elementos terras raras foram determinados
por espectrofotometria UV/VIS em concentrações de 10 a 50 ng/g após a
separação cromatográfica. O método foi validado por comparação com materiais
de referência (NBS 1632A, SARM-18, SARM-19 e SARM-20).
Ivanova et al. [2001] usaram materiais de referência para validar 4
procedimentos para a determinação de metais essenciais e tóxicos e elementos
terras raras em amostras de solos. A quantificação dos analitos foi feita por ICPMS. Kubracova [1997] revisou procedimentos com microondas aplicados à
abertura de minerais sulfurados, carbonatos, carvão, óxidos de metais nobres,
solos e poeiras assim como materiais botânicos e amostras biológicas para
posterior determinação dos metais por ETAAS.
Silvia et al. (2005) empregaram 4 estratégias distintas (extração
sequencial, microondas com potência constante, ultra-som e microondas com
temperatura constante) para o tratamento de amostras de solo certificadas
visando a determinação de metais. O procedimento com microondas em
temperatura constante foi superior aos demais na extração do metais Cd, Zn, Cu
e Ni (100% de extração), mas apresentou 80% de recuperação para Pb e Cr.
A radiação microondas foi usada para preparar amostras para a
determinação de nitrogênio, fósforo e sulfetos em tecidos de ostras e sedimentos
de rios [Colina e Gardiner 1999]. A amostra pesando cerca de 0,2 g foi misturada
com 10 mL de H2O2 e com 50 mL de ácido fórmico. A mistura foi colocada no
microondas e foi aplicado o programa que consistia em 250 W (5 min), 0 W (15
min) e 600 W (10 min). Ao término do programa, foram adicionados 10 mL de
27
H2O2 e o programa foi repetido. Os ânions (SO4=, PO4-3 e NO3-) foram medidos
por cromatografia de íons e o método foi validado com material certificado.Vale
apenas salientar que o uso de H2O2 tem como vantagem adicional em
cromatografia o fato que seu excesso gera apenas água .
Quevauviller et al. [1993] afirmam que o principal uso de pré tratamento
de amostra com microondas fechado é quando se pretende determinar a
quantidade de metais em vários tipos de amostra, principalmente nas de origem
ambiental. Seu trabalho mostra a evolução do sistema de microondas para a
digestão de amostras ambientais, apresentando suas vantagens. Alerta também
para o uso deste sistema em amostras que possuem matéria orgânica,
considerando esta como a situação mais crítica de qualquer método analítico.
Wen et al. [1997] apresentaram a otimização da abertura de sedimentos
marinhos para determinação de Cu, Pb e Cd. A abertura de cerca de 0,1 g de
amostra de sedimento foi realizada com 4-5 mL de uma mistura composta por
HNO3, HF e H2O2. A mistura foi irradiada por 30 min a 100% de potência, que
mostrou ser a melhor condição levando a uma recuperação de 93-100% destes
metais. Neste artigo, pode ser encontrada uma boa descrição de como realizar
um procedimento de digestão usando microondas.
2.4. Determinação de metais em suplementos
multivitamínicos/multiminerais
Na maioria dos casos, a determinação de metais em suplementos
vitamínicos tem seguido o procedimento de digestão total. Fe e Mo foram
determinados em preparações farmacêuticas por FAAS, após calcinação a 600oC.
Nenhuma perda destes elementos foi observada nesta temperatura [Canfranc et
al., 2001]
28
Hight et al. [1993] usaram ácidos em ebulição e misturas de HNO3,
HClO4, H2SO4 e H2O2 para a completa dissolução de suprimentos dietéticos com
aquecimento antes da medida de 36 elementos em 42 amostras. Um sistema FIA
com multicomutação foi desenvolvido para a determinação espectrofotométrica
de Fe, Zn, Ca e Mg em amostras de multivitaminas. Digestão total de amostras
com mistura de HNO3 e HClO4 aquecimento em placa foi empregada antes da
injeção [Rocha et al. 2001a, 2001b].
Digestão de amostras sólidas assistida por microondas em frascos
fechados com misturas ácidas ou ácidos concentrados tem sido empregada na
determinação de vários elementos em matrizes complexas [Cassella et al., 1999;
Bettinelli et al., 2000; Wen et al., 1997; Kowalewska et al., 1998; Sastre et al.,
2002]. Como já foi discutido, as principais vantagens da digestão assistida por
microondas de frascos fechados são sua velocidade relativa (1 hora ou menos),
baixa possibilidade de contaminação e perda mínima dos elementos voláteis,
embora o alto custo da instrumentação envolvida possa ser uma limitação
importante. Esta técnica tem sido aplicada na determinação de Cr e outros
elementos nos suplementos vitamínicos ou minerais [Soltyk et al., 2003]. A
radiação de microondas foi usada como fonte de energia para a decomposição de
amostras com HNO3 visando a determinação de As,Cd, Hg e Pb em 95
suplementos alimentares multielementares e em materiais de referencia NIST.
[Dolan et al., 2003].
Recentemente, o uso dos processos de extração tem obtido um espaço
considerável no campo da preparação de amostras [Oliveira, 2003; Cassella et
al., 1999; Bettinelli et al., 2000; Wen et al., 1997; Kowalewska et al., 1998;
Sastre et al., 2002; Luque-García e Luque de Castro, 2003]. Isto provavelmente
ocorre devido as vantagens deste procedimento que são: 1) baixo custo; 2) alta
velocidade; 3) possibilidade de processar grande número de amostras
simultaneamente e 4) baixa necessidade de supervisão de pessoal. Apesar destas
29
vantagens, somente um trabalho foi encontrado na literatura sobre o uso de
lixiviação/extração para a determinação de elementos em suplementos
multivitamínicos. Mg foi extraído destes suplementos em banho de ultra-som
com excelente precisão [Abarca et al., 2001]
Em
face
do
difundido
consumo
de
suplementos
multiminerais/multivitamínicos (SMMs) [Millen et al., 2004] há interesse no
desenvolvimento de métodos confiáveis para a determinação dos elementos
químicos presentes nestes suplementos. Muitos autores têm empregado
diferentes técnicas analíticas para tal fim e diferentes estratégias para a
preparação das amostras [Dolan e Capar, 2002; Krejcova et al., 2006; Hight et
al., 1993; Dolan et al., 2003; Rocha et al., 2001a-b; Soltyck et al., 2003;
Canfranc et al., 2001; Abarca et al., 2001].
O objetivo deste trabalho foi investigar a possibilidade de uso de extração
assistida por ultra-som e por microondas, assim como por agitação magnética,
empregando soluções de ácidos diluídos para a extração/lixiviação de metais
selecionados (Cu, Fe, Mn e Zn) em diferentes amostras de SMMs encontrados
no mercado local como alternativa ao processo de digestão total das amostras
usando ácidos concentrados.
30
3. PARTE EXPERIMENTAL
3.1. Reagentes e Soluções
Em todos os experimentos foi empregada água ultrapura obtida em um
sistema de purificação de água Milli-Q (Millipore, Bedford, EUA). Toda água
inserida no sistema Milli-Q foi previamente destilada e desionizada em coluna de
leito misto.
Todas as soluções utilizadas ao longo do trabalho experimental foram
preparadas empregando-se reagentes e ácidos de grau analítico sem purificação
prévia. Os seguintes reagentes foram utilizados:
• Ácido nítrico concentrado (Vetec, Rio de Janeiro, Brasil).
• Ácido clorídrico concentrado (Vetec, Rio de Janeiro, Brasil).
• Tetracloreto de carbono (Reagen, Rio de Janeiro, Brasil).
• Ácido fluorídrico concentrado (Vetec, Rio de Janeiro, Brasil).
• Hidróxido de sódio sólido (Vetec, Rio de Janeiro, Brasil)
31
Para preparação das soluções dos cátions metálicos em estudo foram
empregadas soluções estoques individuais contendo 1000 mg/L de Cu(II),
Fe(III), Zn(II) e Mn(II). Estas soluções estoque foram fornecidas pela Reagen. As
soluções de referência empregadas nas medidas por FAAS dos analitos foram
preparadas diariamente, por diluição, momentos antes das medições. A Tabela
abaixo mostra as concentrações das soluções de referência empregadas para cada
cátion:
Tabela 2. Concentrações das soluções empregadas na construção de curvas de
calibração dos elementos estudados.
Analito
Concentrações (mg/L)
Cu(II)
0,20
0,50
1,00
1,50
2,00
Fe(III)
0,20
1,00
2,00
4,00
5,00
Mn(II)
0,20
0,50
1,00
1,50
2,00
Zn(II)
0,10
0,20
0,50
0,80
1,00
Frascos e vidrarias utilizados foram previamente descontaminados por
imersão em banho de HNO3 10% por, no mínimo, 24h.
3.2. Equipamentos
Para as medidas de absorção atômica foi utilizado um espectrômetro de
absorção atômica Analyst 100, da Perkin Elmer, equipado com lâmpadas de
catodo oco específicas para cada elemento de interesse (Cu, Fe, Mn, e Zn). O
equipamento foi operado nas condições recomendadas pelo fabricante para a
determinação de cada elemento. Os parâmetros operacionais para cada elemento
estão designados na Tabela abaixo:
32
Tabela 3. Parâmetros instrumentais para determinação por absorção atômica
com chama dos elementos estudados.
Parâmetro
Mn
Fe
Zn
Cu
Corrente da lâmpada (mA)
30
30
15
30
comprimentode onda (nm)
279,8
248,3
213,9
324,8
Fenda de entrada (nm)
0,2
0,2
0,7
0,7
Composição da chama
aracetileno
aracetileno
aracetileno
aracetileno
Um forno de microondas preparado para laboratório, modelo DGT-100
Plus, da Provecto Analítica (Jundiaí, SP), foi utilizado na digestão e extração das
amostras. Os frascos de TFM (PTFE quimicamente modificado com éter
perfluoropropil-vinílico - PPVE) com volume interno de 100 mL também foram
fornecidos pela Provecto Analítica.
Nos procedimentos de extração foram utilizados: (a) um banho de ultrasom fornecido pela Lab-Line Instruments (Melrose Park, USA), modelo 9332,
com freqüência constante de 40 MHz; (b) um agitador magnético Quimis (Rio de
Janeiro, Brasil), modelo Q – 221, com uma velocidade de agitação de 1200 rpm.
Um potenciômetro da marca Quimis, modelo Q-400M, equipado com um
eletrodo combinado de vidro, foi empregado nas medidas de pH. A calibração
foi realizada empregando-se tampões com pH 4,01 e 7,00, fornecidos pela
própria Quimis.
33
3.3. Identificação do Ponto de Maior Cavitação do Banho de Ultra-som
3.3.1. Erosão de papel alumínio.
O primeiro procedimento para identificação do ponto de máxima cavitação
do banho de ultra-som foi o teste de erosão do papel alumínio. O teste foi
realizado forrando-se toda a superfície do fundo da cuba do banho de ultra-som
com papel alumínio. Foi adicionado à cuba 1 L de água na temperatura de 12oC e
aplicou-se ultra-som durante 5 min.
3.3.2. Sonicação de uma solução saturada de CCl4.
Uma solução saturada de CCl4 foi preparada pela mistura de 2 mL de CCl4
com 2000 mL de água ultra-pura. Alíquotas de 50 mL desta solução foram
submetidas à ação do banho de ultra-som durante tempos que variaram entre 1 e
10 min. Medidas do pH da solução foram realizadas neste intervalo de tempo.
Adicionalmente, duas outras alíquotas de 50 mL da solução saturada de
CCl4 foram sonicadas por 5 e 10 min e posteriormente tituladas com uma solução
padrão de NaOH na concentração de 0,0100 mol/L. Como referência, 50 mL da
solução saturada de CCl4 foram diretamente titulados (sem sonicação) com a
mesma solução de NaOH.
34
3.4 Procedimentos de Processamento das Amostras
3.4.1 Pré-Tratamento da Amostra Sólida
Os suplementos multivitamínicos/multiminerais (SMM) aqui estudados
foram adquiridas no mercado local. Amostras representativas foram preparadas
triturando-se um conjunto de 20 tabletes ou comprimidos em gral de ágata. Após
a homogeneização o sólido triturado foi peneirado através de uma peneira
plástica com diâmetro de poro de 2 mm.
3.4.2. Digestão das Amostras
A digestão das amostras foi realizada misturando-se cerca 0,12 g (pesados
ao décimo de mg) de cada amostra com 5 mL de ácido nítrico concentrado
diretamente no frasco do próprio forno de microondas. O frasco foi então
fechado e ajustado no carrossel do aparelho e o programa de aquecimento
mostrado na Tabela 4 foi executado. Após a execução do programa de
temperatura, os frascos foram resfriados à temperatura ambiente (cerca de 15
min), sendo em seguida abertos. O conteúdo foi quantitativamente transferido
para balões volumétricos de 100 mL e volume foi completado até a marca com
água ultrapura. A solução obtida foi filtrada e, quando necessário, diluída para a
determinação das concentraçãoções dos metais de interesse por FAAS.
35
Tabela 4. Programa de aquecimento utilizado para digestão das amostras em
forno de microondas.
Etapa
Ácido
Volume(mL)
Potência (W)
Tempo(min)
1
HNO3
5
300
2
2
HNO3
5
720
5
3
HNO3
5
200
5
4
HNO3
5
0
2
5
HNO3
5
0
0
3.4.3. Avaliação da distribuição do cobre após a extração
Para obtermos a avaliação da distribuição de cobre, alíquotas de 0,12 g
(pesadas ao décimo de mg) das amostras pulverizadas de SMM foram misturadas
com 20 mL de solução de HCl 1 mol/L. As misturas foram agitadas durante 5
min empregando-se agitação magnética. A suspensão foi filtrada e lavada com
solução 1 mol/L de HCl sendo o filtrado transferido para balão volumétrico de
100 mL até a marca. A solução obtida foi diluída, quando necessário, para a
determinação da concentração de Cu por FAAS.
O sólido retido no papel de filtro foi intensivamente lavado com 100 ml de
água régia sendo o filtrado recolhido em balão volumétrico de 100 mL. O
volume foi completado até a marca com a própria água régia efluente e a
concentração de Cu foi determinada usando FAAS.
O papel de filtro foi então secado em estufa e transferido para um cadinho
de porcelana. O papel de filtro foi então lentamente queimado sob a ação da
chama do bico de Bunsen. Após a total incineração do papel de filtro, o sólido
branco resultante foi transferido quantitativamente, com o auxílio de 5 mL de
água régia, para o frasco de microondas onde foram adicionados 2 mL de HF
concentrado. O frasco foi então ajustado no carrossel do forno de microondas
36
com o aparato de evaporação fornecido pelo próprio fabricante. Após isto, o
programa de aquecimento mostrado na Tabela 4 foi executado. Então, o
conteúdo do frasco foi transferido quantitativamente para um bécher e a
concentração de Cu foi medida por FAAS.
3.4.4. Extrações com ultra-som ou agitação magnética
Alíquotas de 0,12 g das amostras de SMMs foram pesadas ao décimo de
mg, misturados com 20 mL de solução de extratora contendo HCl com
concentrações variáveis (0,01 a 1 mol/L). Também foram realizadas extrações
nas mesmas condições empregando-se soluções extratoras contendo HNO3 1
mol/L e misturas ácidas contendo HCl e HNO3 com concentração total de ácido
igual a 1 mol/L. As suspensões foram agitadas por tempos que variaram de 10 s
a 10 min empregando-se banho de ultra-som ou agitação magnética. Após isto, a
suspensão obtida foi filtrada e as concentrações de metais foram determinadas no
filtrado por FAAS.
A aplicação do ultra-som foi realizada ajustando-se o bécher de vidro no
centro do aparelho em contato com o fundo do mesmo. À cuba do banho de
ultra-som foram adicionados 1000 mL de água da torneira, na temperatura de 12
a 20oC. A água do banho de ultra-som foi inteiramente trocada após cada
extração, a fim de maximizar o efeito das ondas ultra-sônicas, de acordo com as
recomendações de Nascentes et al. [2001].
3.4.5. Extrações de longo tempo
Alíquotas de 0,12 g das amostras de suplementos alimentares foram
misturados com 20 mL de solução de HCl 1 mol/L e agitadas durante 1 min com
agitador magnético. A suspensão obtida foi deixada em repouso pelo tempo
37
escolhido (5 min a 12h) e filtrada. As concentrações dos metais de interesse
foram determinadas nos extratos após a diluição adequada.
3.4.6. Extração empregando radiação microondas
Cerca de 50 mg das amostras de SMMs foram pesados ao décimo de
miligrama diretamente no frasco do forno de microondas. Foram adicionados 10
mL de solução de ácido nítrico ou clorídrico em diferentes concentrações (0 a 1
mol/L). O frasco foi fechado e levado ao forno de microondas, onde foi irradiado
por tempos (5 a 25 min) e potências variáveis (200 a 600 W). Neste estudo, os
experimentos foram realizados de acordo com o planejamento MOSTRADO NA
Tabela 5, baseado na matriz de Doehlert.
Após o término do programa de irradiação, a suspensão obtida foi
quantitativamente transferida para um balão volumétrico de 50 mL e o volume
foi completado com água ultrapura. Após a filtração e a devida diluição, as
concentrações dos metais nas soluções foram determinadas por FAAS.
38
Tabela 5. Condições experimentais empregadas na otimização do procedimento
de extração assistida por radiação microondas segundo o planejamento Doehlert.
Concentração de ácido
Potência
Tempo
(mol/L)
(W)
(min)
0,00
600
10
0,00
600
20
0,17
200
15
0,34
990
10
0,34
990
20
0,50
600
15
0,50
600
15
0,50
600
5
0,50
600
25
0,67
200
10
0,67
200
20
0,84
990
15
1,00
600
10
1,00
600
20
39
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. A Espectrometria de Absorção Atômica com Chama
A Espectrometria de Absorção Atômica com Chama (FAAS) mostrou-se
uma técnica adequada para as medidas de concentração de metais nas soluções
obtidas ao longo do trabalho experimental, uma vez que, após as extrações ou
dissoluções totais efetuadas, as soluções finais obtidas apresentavam matrizes de
baixa complexidade, não necessitando assim da aplicação do método de adição
padrão para quantificação dos analitos em estudo. A sensibilidade alcançada com
a técnica de FAAS foi suficiente para a determinação das concentrações dos
analitos em todas as soluções obtidas. As curvas de calibração apresentaram
faixa linear dinâmica compatível com aquelas sugeridas pelo fabricante. A
linearidade de tais curvas de calibração foram satisfatórias, obtendo-se sempre
coeficientes de correlação maiores do que 0,9995. Curvas analíticas típicas para
cada analito estão apresentadas abaixo Figura 3.
40
0,25
0,14
y = 0,0436x + 0,0042
R=1
y = 0,063x + 0,0029
R = 0,9998
0,12
0,20
0,15
0,08
Abs.
Abs.
0,10
0,06
0,10
0,04
0,05
0,02
0,00
0,00
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
0,0
1,0
2,0
4,0
5,0
6,0
0,8
1,0
1,2
0,40
0,35
y = 0,1444x + 0,0028
R = 0,9998
0,30
y = 0,3141x + 0,0264
R = 0,9998
0,35
0,30
0,25
0,25
0,20
Abs.
Abs.
3,0
Fe (mg/L)
Cu (mg/L)
0,15
0,20
0,15
0,10
0,10
0,05
0,05
0,00
0,00
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
0,0
Mn (mg/L)
0,2
0,4
0,6
Zn (mg/L)
Figura 3. Curvas analíticas típicas para Cu, Fe, Mn e Zn obtidas por FAAS.
A partir das curvas analíticas foi possível calcular os limites de detecção e
quantificação, em solução, para cada um dos analitos em estudo. Tais dados
estão apresentados na Tabela 6.
Tabela 6. Características analíticas observadas para os diferentes analitos
estudados, em solução.
Parâmetro
Cu
Fe
Mn
Limite de Detecção
(3σ) (µg/L)
47,6
68,1
20,7
Limite de Quantificação (10σ)
(mg/L)
0,16
0,23
0,069
RSD (%)*
6,4
7,7
3,2
* Os valores de RSD são relativos às concentrações de 0,20 mg/L.
41
Zn
9,5
0,032
3,2
4.2. Investigação das condições de cavitação do banho de ultra-som
De acordo com Nascentes et al. [2001], a caracterização dos banhos de
ultra-som é de fundamental importância quando da utilização destes aparatos
para indução/aceleração de reações químicas, extrações, etc. Fatores como a
posição do recipiente onde é conduzido o processo apresentaram grande
influência sobre os resultados finais. Deste modo, inicialmente, o banho de ultrasom utilizado neste trabalho foi caracterizado com relação à melhor posição para
ajuste dos frascos de extração.
Conforme descrito na seção experimental, foi utilizado o método da erosão
da folha de alumínio para identificação da melhor posição para o frasco de
extração. Os resultados obtidos estão mostrados na Figura 4.
Figura 4. Fotografias das folhas de papel alumínio antes e depois da sonicação.
Os resultados obtidos identificaram, para o equipamento utilizado, 3
pontos onde a cavitação ocorre com máxima intensidade. Dois deles estão
situados exatamente sobre os cristais piezoelétricos do banho de ultra-som e o
42
terceiro ponto, escolhido para utilização nas extrações, está localizado no ponto
médio entre os dois cristais. Este resultado é condizente com as observações
relatadas no trabalho de Nascentes et al. [2001].
Outro experimento realizado para avaliar a capacidade de cavitação do
banho de ultra-som, na posição escolhida para o trabalho, foi o teste da titulação
antes e após a sonicação de uma solução aquosa saturada com CCl4. De acordo
com literatura Borges & Korn, [2002], a sonicação de soluções de CCl4
possibilita a formação de íons H3O+ devido aos processos mostrados na Figura 5
[Korn, et al. 2003]. Os íons H3O+ formados podem ser titulados com solução de
NaOH.
)))
CCl 4 → Cl • + • CCl 3
Cl • + H 2 O → HCl + • OH
2Cl • + H 2 O → HCl + HClO
2Cl • → Cl 2
Figura 5. Fenômenos envolvidos quando da sonicação de uma solução saturada
de tetracloreto de carbono.
Os resultados obtidos na titulação das soluções sonicadas (por 5 e 10 min)
e não-sonicada estão mostrados na Figura 6. Como pode ser visto, fica evidente o
aumento da acidez nas soluções sonicadas, enquanto que na solução nãosonicada, a adição de apenas 0,50 mL de solução de NaOH 0,010 mol/L elevou o
pH da solução para 8,86, evidenciando que a quantidade de H3O+ presente era
desprezível. Também pode ser observado, quando da sonicação das soluções, o
aparecimento de uma região de tamponamento próxima ao pKa do ácido
hipocloroso, que é um dos ácidos produzidos pela sonicação de soluções aquosas
saturadas de CCl4, de acordo com o modelo proposto [Korn, 2000].
43
Por outro lado, o aumento do tempo de sonicação levou a um significativo
aumento da concentração de H3O+ nas soluções, processo este evidenciado pelo
aumento do volume de solução de NaOH para completar a titulação. Foram
necessários cerca de 6,0 mL da solução de NaOH para titulação da solução
sonicada por 5 min e cerca de 10 mL para titulação da solução sonicada por 10
min.
12,0
10,0
8,0
pH
6,0
4,0
2,0
0,0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Volume de Titulante, NaOH 0,01 mo/L (mL)
Figura 6. Curvas de titulação das soluções de CCl4 após sonicação. (■) Solução
não sonicada (○) solução sonicada por 5 min e (●) solução sonicada por 10 min.
O simples monitoramento do pH da solução sonicada ao longo de 22 min,
confirmou o resultado obtido no experimento anterior. Pode ser observado, nos
resultados obtidos (Figura 7), que o pH da solução diminui de modo significativo
nos primeiros 10 min de sonicação, certamente devido aos processos mostrados
na Figura 5. Após este tempo de sonicação, já não se percebe uma diminuição
significativa do pH em virtude da alta concentração de H3O+ já existente.
44
6,50
6,00
5,50
pH
5,00
4,50
4,00
3,50
3,00
0
5
10
15
20
25
Tempo de Sonicação (min)
Figura 7. Efeito do tempo de sonicação sobre o pH de uma solução saturada de
tetracloreto de carbono.
4.3. Extração dos metais presentes nos SMMs.
O principal objetivo deste trabalho foi desenvolver uma metodologia para
a extração de Cu, Fe, Mn e Zn presentes em SMMs comerciais empregando
soluções diluídas de ácidos como alternativa aos procedimentos de dissolução
total da amostra, onde são empregados, em geral, reagentes perigosos como
ácidos concentrados e peróxido de hidrogênio [Krejcova, et al. 2006; Hight, et
al. 1993]. Adicionalmente, o tempo gasto nos procedimentos de abertura total
costuma ser elevado, o que diminui de modo significativo a produtividade
analítica. A fim de alcançar o objetivo proposto, foi realizado um estudo
sistemático a fim de avaliar a influência de diferentes parâmetros sobre o
processo de extração. Os parâmetros avaliados foram: (1) modo de extração
45
(ultra-som e agitação magnética), (2) tempo de extração; (3) concentração do
ácido e sua e natureza e (4) potência do ultra-som. Ainda, um planejamento
multivariado, baseado na Matriz de Doehlert, foi realizado para otimização do
procedimento de extração empregando radiação microondas com ácido diluído.
4.3.1. Determinação das concentrações totais de Cu, Fe, Mn e Zn em
amostra de SMM.
Antes de iniciar a avaliação das condições de extração, uma amostra de
SMM foi analisada em relação ao seu conteúdo total de Cu, Fe, Mn e Zn. Tal
amostra foi utilizada como referência ao longo de todo o trabalho experimental
realizado. Esta amostra foi designada como SMM-1. O processo de abertura da
amostra de referência foi levado a cabo empregando-se uma metodologia
baseada no aquecimento via radiação microondas [Hight et al., 1993; Dolan et
al. 2003; Oliveira, 2003]. A descrição completa do experimento pode ser
encontrada na seção 3.4.2. O fluxograma relativo ao experimento pode ser
visualizado na Figura 8.
46
Amostra
0,12 g no frasco TFM
Adicionar 5 mL de HNO 3 concentrado
Programa de aquecimento
Tabela 4
Irradiaçao
microondas
Ajuste de
volume
Filtraçao
Mediçao
Cu, Fe, Mn e Zn
Figura 8. Fluxograma do experimento de abertura de amostra de SMM por
microondas.
Os resultados obtidos foram comparados com os valores individuais, para
cada metal, contidos na bula do SMM (Tabela 7).
Tabela 7. Concentrações dos metais (determinados e tabelados) na amostra de
referencia SMM-1. Os resultados são apresentados como média ± desvio padrão.
Elemento*
Concentração Determinada**
Valores Indicados
(mg g-1)
(mg g-1)
Cu (n = 4)
1.24 ± 0.04 (3.2 %)
1.33
Mn (n = 6)
1.32 ± 0.04 (3.0 %)
1.36
Fe (n =6)
12.2 ± 0.5 (4.1 %)
12.3
Zn (n = 6)
9.87 ± 0.03 (3.4 %)
10.2
* O número entre parênteses indica o número de determinações independentes.
** O número entre parênteses indica o coeficiente de variação da medida.
47
Comparando-se os valores obtidos com os valores indicados pode-se notar
que não há diferença significativa entre ambos. Aplicando-se um teste de
correlação entre os valores obtidos e os tabelados foi obtida a seguinte equação:
VD = 1,01 VI + 0,065
onde VD representa o valor determinado em mg/g e VI representa o valor
indicado na bula, também em mg/g. A correlação obtida foi igual a 0,9998.
Como se pode perceber tanto o coeficiente angular da reta obtida quanto a
correlação apresentaram valores muito próximos da unidade, indicando que não
há diferença estatística relevante entre os resultados obtidos e os valores
indicados na bula para os metais em estudo. Vale ressaltar que os todos os
cálculos efetuados ao longo do trabalho foram realizados tomando-se os valores
determinados como referência.
4.3.2. Extração dos metais em SMM usando ultra-som e agitação magnética.
O primeiro experimento realizado a fim de determinar as melhores
condições de extração dos metais selecionados foi baseado na avaliação
simultânea das influências do método de extração (ultra-som ou agitação
magnética), tempo de extração e natureza e concentração do ácido presente na
solução extratora (HCl e/ou HNO3). É importante destacar que o experimento
consistiu na extração de aproximadamente 0,12 g da amostra referência com 20
mL soluções de HCl com concentrações de 0,01; 0,05; 0,1 e 1,0 mol/L. O tempo
de extração foi variado de 10 s a 10 min. Um resumo deste experimento pode ser
visto no fluxograma abaixo (Figura 9). Os resultados obtidos nas extrações com
HCl estão mostrados na Figura 10 (A até H).
48
Amostra
0,12 g em Becher 50 mL
Adicionar 20 mL de Acido
(HNO 3, HCl ou mistura)
Ultra-som
Extraçao
tempo variavel
Agitaçao Magnetica
Filtraçao
Mediçao
Cu, Fe, Mn e Zn
Figura 9. Fluxograma do experimento de extração usando ultra-som ou agitação
magnética.
Os resultados obtidos demonstraram que o processo de lixiviação dos
metais presentes na amostra é razoavelmente independente do método de
extração empregado (ultra-som ou agitação magnética). Esta conclusão foi tirada
tendo em vista que os perfis das curvas de extração no tempo são muito
semelhantes para cada metal estudado, nas diferentes concentrações de HCl
empregadas. Deste modo é possível também concluir que a cavitação
característica do ultra-som não desempenha um papel importante no processo de
extração, podendo ser considerado apenas como uma unidade de agitação da
suspensão, com eficiência de extração muito similar àquela observada para a
agitação magnética.
49
(E) Mn - US
120
120
100
100
Recuperação-Mn (%)
Recuperação-Fe (%)
(A) Fe - US
80
60
40
20
80
60
40
20
0
0
0
0
2
4
6
8
10
2
12
4
6
8
10
12
Tempo de Extração (min)
Tempo de Extração (min)
(F) Mn - AM
120
120
100
100
Recuperação-Mn (%)
Recuperação-Fe (%)
(B) Fe - AM
80
60
40
20
0
80
60
40
20
0
0
2
4
6
8
10
0
12
2
120
120
100
100
Recuperação-Cu (%)
Recuperação-Zn (%)
6
8
10
12
10
12
10
12
(G) Cu - US
(C) Zn - US
80
60
40
20
80
60
40
20
0
0
0
2
4
6
8
10
0
12
2
4
6
8
Tempo de Extração (min)
Tempo de Extração (min)
(H) Cu - AM
(D) Zn - AM
120
120
100
100
Recuperação-Cu (%)
Recuperação-Zn (%)
4
Tempo de Extração (min)
Tempo de Extração (min)
80
60
40
20
80
60
40
20
0
0
0
2
4
6
8
10
0
12
2
4
6
8
Tempo de Extração (min)
Tempo de Extração (min)
Figura 10. Efeitos do tempo de extração, da concentração de HCl [(□) 0.01, (■) 0.05, (○) 0.1
and (●) 1 mol/L] e do modo de agitação (A, C, E and G = ultra-som e B, D, F and H =
agitação magnética) sobre a extração de Cu, Fe, Mn and Zn no SMM-1.
50
Algumas considerações podem ser feitas a respeito da utilização do ultrasom em comparação com a agitação magnética. Na extração assistida por ultrasom foi verificado um fracionamento muito acentuado das partículas do SMM-1,
aumentando consideravelmente a superfície do sólido exposta para contato com
a solução extratora (Figura 11). Nestas condições esperar-se-ia um aumento das
velocidades de extração com um conseqüente aumento das recuperações em um
menor tempo de extração. Entretanto, isto não ocorreu, evidenciando que o
fenômeno de aumento de superfície de contato não é um fator significativo sobre
a cinética do processo de extração. Particularmente no caso do Cu, onde não são
verificadas recuperações significativas, esta observação deve ser considerada.
Figura 11. Fotografias dos papéis de filtro empregados na filtração após
extração com ultra-som (esquerda) e agitação magnética (direita). Pode-se
observar um fracionamento muito mais acentuado das partículas na fotografia à
esquerda.
Por sua vez, a concentração de HCl apresentou um efeito significativo
sobre a extração de Fe, Mn e Zn, sendo observado um aumento da extração com
o aumento da concentração de HCl. No entanto, a extração do Cu aumentou de
modo pouco significativo com o aumento da concentração de HCl.
51
Analisando mais detalhadamente os dados, nos casos do Fe e do Zn a
concentração de HCl desempenha um papel mais relevante do que no caso do
Mn, uma vez que as recuperações sempre aumentaram com o aumento da
concentração de HCl na solução extratora. Extrações quantitativas (superiores a
90 %) apenas foram observadas quando da utilização de HCl 1 mol/L. No caso
da Mn, recuperações quantitativas foram obtidas já para concentrações de HCl
da ordem de 0,05 mol/L. Também, pode-se verificar que, quando uma solução de
HCl com concentração igual a 0,01 mol/L foi utilizada, recuperações da ordem
de 45 % foram observadas , ao contrário dos casos do Fe e do Zn, cujas
recuperações, nestas condições foram de aproximadamente 0 e 20 %,
respectivamente. Como mencionado anteriormente, o Cu não foi extraído de
modo marcante em nenhuma das condições estudadas, sendo alcançado um valor
máximo de cerca de 18 % após 10 minutos de extração com HCl 1 mol/L.
No caso do Mn observou-se uma pronta extração mesmo em meio de HCl
0,05 mol/L, o que não foi verificado para os casos do Fe e do Zn, indicando que
o Mn pode está mais fracamente ligado à matriz sólida do que o Fe e o Zn ou que
a cinética de extração deste metal é mais rápida. É importante lembrar que a
hidrólise do íon Mn(II) nas condições estudadas é praticamente nula, do mesmo
modo que para o íon Zn(II) [constantes de acidez da ordem de 10-10 para o Zn(II)
e 10-11 para o Mn(II) [Butler, 1963]. No caso do íon Fe(III), sua alta acidez
[constante de acidez da ordem de 10-4 [Butler, 1963] parece ser um importante
parâmetro a ser considerado na avaliação de sua recuperação após a extração
com soluções de HCl. Em condições de alta acidez do meio (alta concentração
de HCl), recuperações mais altas foram observadas, provavelmente devido às
condições desfavoráveis à sua hidrólise. Já em concentrações mais baixas de
HCl, o processo de hidrólise torna-se relevante, afetando a recuperação deste
metal pela formação de Fe(OH)3 pouco solúvel (ver Figura 11), que permanece
retido no papel de filtro durante a filtração.
52
Ainda, o Zn apresentou, com maior ênfase em concentrações baixas de
HCl, um fenômeno de diminuição de sua recuperação com o aumento do tempo
de extração. Este fenômeno já foi relatado na literatura por Nascentes et al.
[2001] e Filgueiras et al. [2000], e é atribuído à possível formação de novas
espécies pouco solúveis de Zn(II) no meio extrator.
Em termos de tempo de extração excluindo o Cu que não é
apreciavelmente lixiviado nas condições testadas, todos os elementos estudados
são totalmente extraídos, em 5 min, quando uma solução HCl 1 mol/L é utilizada
com ultra-som ou agitação magnética. Porém, em concentrações mais baixas de
ácido pode-se perceber que a taxa de extração de Fe é maior do que para os
outros metais, fator este evidenciado pela maior inclinação das retas obtidas nos
experimentos.
O efeito da potência aplicada com o ultra-som também foi estudado. A
intensidade das ondas ultra-sônicas está diretamente relacionada à amplitude da
vibração do transdutor. Usualmente, um aumento na potência proporcionará um
aumento nos efeitos sonoquímicos devido a um aumento do processo de
cavitação. Entretanto, uma elevação excessiva da amplitude vibracional das
ondas ultra-sônicas pode levar a um grande aumento no número de bolhas de
cavitação formadas na solução, o que pode amortecer a passagem da energia
através do líquido [Filgueiras et al. 2000].
A potência aplicada pelo ultra-som foi variada de 20 a 120 % (unidade
arbitrária do equipamento), empregando-se o procedimento descrito na seção
2.4.4 por 5 min utilizando-se uma solução de HCl 1 mol/L. Os resultados estão
mostrados na Tabela 8
53
Tabela 8. Influência da potência sobre a extração dos metais no SMM-1. Os
valores estão expressos como percentagem de recuperação
Elemento
Potência Aplicada (Unidades arbritárias)
20 %
40 %
60 %
80 %
100 %
120 %
Cu
9,33 ± 0,55
15,8 ± 0,4
16,4 ± 0,4
18,2 ± 0,3
18,1 ± 0,9
18,9 ± 0,9
Fe
84,8 ± 4,0
100 ± 3,1
98,3 ± 3,2
97,4 ± 4,1
99,5 ± 3,9
99,4 ± 4,0
Mn
95,4 ± 2,2
101 ± 7
93,5 ± 4
93,5 ± 5
100 ± 8
93,5 ± 8
Zn
105 ± 3
103 ± 2
101 ± 3
102 ± 3
103 ± 3
101 ± 3
Como pode ser visto, apenas para o caso do Cu foi observada alguma
influência da potência aplicada pelo ultra-som, uma vez que o percentual de
recuperação deste metal aumentou de 9,33 % para 18,9 % com o aumento da
potência de 20 para 120 %. É importante salientar que mesmo para o Cu, a partir
da potência de 80 % observa-se uma estabilização do efeito desta variável,
provavelmente devido ao fenômeno, descrito anteriormente, de amortecimento
devido ao excesso de bolhas de cavitação formadas na solução. Deste modo, a
potência de 100 % foi estabelecida para todos os experimentos posteriores.
Outro teste foi realizado substituindo-se o HCl por HNO3, um agente
oxidante mais efetivo. Neste experimento a concentração total de ácido (HNO3
sozinho ou HNO3 + HCl ) foi sempre mantida em 1 mol/L. Como pode ser visto
na Figura 12, nenhuma modificação no comportamento de qualquer dos analitos
estudados foi observada na comparação com a extração usando somente HCl.
Isto indica que a concentração do íon H3O+ pode ser responsável pela extração
dos metais num processo semelhante a um processo de troca iônica.
54
[E] Mn - US
120
100
100
Recuperação-Mn (%)
Recuperação-Fe (%)
[A] Fe-US
120
80
60
40
80
60
40
20
20
0
0
0
2
4
6
8
10
0
12
2
4
120
100
100
Recuperação-Mn (%))
Recuperação-Fe (%)
120
80
60
40
20
10
12
80
60
40
20
0
0
0
2
4
6
8
10
12
0
2
4
Tempo de Extração (min)
6
8
10
12
Extraction Time (min)
[C] Zn - US
[G] Cu - US
120
120
100
100
Recuperação-Cu (%)
Recuperação-Zn (%)
8
[F] Mn - AM
[B] Fe - AM
80
60
40
80
60
40
20
20
0
0
0
2
4
6
8
10
0
12
2
4
6
8
10
12
10
12
Tempo de Extração (min)
Tempo de Extração (min)
[D] Zn - AM
[H] Cu - AM
120
120
100
100
Recuperação-Cu (%)
Recuperação-Zn (%)
6
Tempo de Extração (min)
Tempo de Extração (min)
80
60
40
80
60
40
20
20
0
0
0
2
4
6
8
10
0
12
2
4
6
8
Tempo de Extração (min)
Tempo de Extração (min)
Figura 12. Efeitos do tempo de extração, da natureza da solução extratora [(■) HNO3 1 mol/L,
(○) HCl 0,5 mol/L + HNO3 0,5 mol/L e (●) HCl 1 mol/L] e do modo de agitação (A, C, E and
G = ultra-som e B, D, F and H = agitação magnética) sobre a extração de Cu, Fe, Mn and Zn
no SMM-1.
55
Diante dos resultados obtidos pode-se estabelecer condições ideais para
extração de Fe, Mn e Zn utilizando-se HCl 1 mol/L durante 5 min e ultra-som ou
agitação magnética como modo de agitação. Nestas condições, a extração do Cu
alcançou apenas o valor de 18 %. Assim, o estudo prosseguiu concentrado na
avaliação do processo de extração do Cu.
4.3.3. A extração do cobre
O problema da extração do cobre presente nos SMM ficou evidente a
partir dos resultados obtidos nos experimentos anteriores. Assim, com o intuito
de alcançar a extração quantitativa do cobre no SMM-1 um novo experimento
foi realizado a fim de estudar a influência da concentração de HCl sobre o
processo de extração. Ainda que a influência desta variável já houvesse sido
avaliada nos experimentos anteriores, a faixa em que tal estudo foi realizado foi
alterada para concentrações mais altas de ácido.
O novo experimento para o estudo da concentração de HCl foi realizado
empregando-se agitação magnética como modo de extração e aplicando-se as
mesmas condições estabelecidas anteriormente (5 min de tempo de extração;
0,12 g de amostra e 20 mL de solução de HCl). Porém, as concentrações testadas
foram de 1, 2 e 4 mol/L de HCl. Adicionalmente, o efeito do tempo de repouso
da suspensão entre a agitação e a filtração foi investigado. Os resultados obtidos
neste experimento (Figura 13) demonstraram que o aumento da concentração da
solução de HCl de 1 para 4 mol/L não causou aumento significativo do
percentual de Cu extraído, uma vez as recuperações obtidas variaram de 9,6 para
29,4 %, valor insuficiente para a determinação de Cu na amostra.
Todavia, o aumento do tempo de contato entre a solução extratora e a
amostra, após a extração, mostrou-se de fundamental importância para elevação
dos percentuais de recuperação de Cu no SMM-1 estudado. Como pode ser visto
56
na Figura 13, quando a suspensão foi deixada em repouso por 1 h após a
filtração, as recuperações de Cu apresentaram um notável acréscimo, atingindo
os valores de 62,4% e 83,7% para 1 mol/L e 4 mol/L de solução de HCl,
respectivamente. Tais resultados demonstraram que o tempo de contato entra a
amostra e a solução extratora pode desempenhar um papel mais importante do
que a concentração do ácido na extração de Cu nos SMM (ou nesta amostra,
especificamente). Também, há uma clara indicação que um lento processo
cinético está envolvido no deslocamento do Cu(II) da fase sólida pelos íons de
H3O+.
Recuperação de Cu (%)
100
80
60
40
20
0
1.0
2.0
4.0
Concentração de HCl (mol/L)
Figura 13. Efeito da concentração da solução de HCl sobre a recuperação de Cu
na amostra estudada. As maiores recuperações foram obtidas após 1 hora de
repouso (barras cinzas) em relação à filtração logo após a extração (barras
brancas).
57
Uma vez identificada a importância do tempo de contato entre a amostra e
a solução extratora para liberação do Cu da matriz sólida, o procedimento de
filtração passou a assumir grande importância, uma vez que se trata de um
processo lento em que a amostra permanece em contato com a solução extratora
durante um tempo apreciável. Assim, a fim de identificar possíveis problemas
referentes ao processo de filtração dois experimentos foram realizados para
detalhar a liberação do cobre ao longo desta. Um fluxograma resumindo os dois
experimentos realizados pode ser visto na Figura 14.
Amostra
0,12 g em Becher 50 mL
Adicionar 20 mL de Acido
(HNO 3, HCl ou mistura)
Ultra-som
Extraçao
Agitaçao Magnetica
Filtraçao
Adiçao de 5 mL de acido
a cada fraçao recolhida
Adiçao de 15 mL de acido a
cada 3 fraçoes recolhidas
Metodo 1
Metodo 2
Recolhimento de
Fraçoes (5 mL)
Mediçao
Cu, Fe, Mn e Zn
Figura 14. Fluxograma da extração de Cu realizada da maneira usual (5 min de
extração com 20 mL de solução de HCl 1 mol/L usando ultra-som e agitação
magnética) com a amostra SMM-1.
No primeiro experimento, a extração de Cu foi realizada da maneira usual
(5 min de extração com 20 mL de solução de HCl 1 mol/L usando ultra-som e
58
agitação magnética) sendo o filtrado recolhido em frações sucessivas de 5 mL.
Volumes adicionais de solução de HCl 1 mol/L foram adicionados ao filtro até o
volume coletado completar 100 mL (20 frações). O Cu foi então medido em cada
fração e as recuperações cumulativas foram calculadas. Os resultados obtidos são
mostrados na Figura 15.
Avaliando os resultados é possível perceber que a recuperação do Cu,
quando o ultra-som foi empregado (89,6%), foi superior àquela obtida quando do
uso da agitação magnética (44,7%), em oposição aos resultados obtidos
previamente, em que não havia diferença significativa entre ambos. Esta
diferença ocorreu devido ao longo tempo (cerca de 196 min) requerido para
completar a filtração das suspensões resultantes da agitação com ultra-som,
quando comparado ao tempo gasto para filtração das suspensões obtidas por
agitação magnética (cerca de 83 min). Isto se dá devido à maior capacidade do
ultra-som em dispersar as partículas ao longo da suspensão em comparação com
a agitação magnética, causando uma colmatação mais intensa dos poros do papel
de filtro. O aumento do tempo da filtração permitiu que o tempo de contato entre
a amostra sólida e a solução extratora fosse maior, aumentando assim a
eficiência da extração do Cu, como pode ser notado pelos resultados mostrados
na Figura 16.
59
100
Recuperação de Cu (%)
US
80
AM
60
40
20
0
0
20
40
60
80
100
120
Volume coletado (mL)
Figura 15. Comparação entre as recuperações acumuladas de cobre obtidas nas
frações resultantes da filtração após da extração com ultra-som e agitação
magnética. Filtração sem controle da vazão.
Para dar consistência a esta afirmação foi elaborado um segundo
experimento com o objetivo de aumentar o tempo de contato entre a amostra
sólida e a solução de HCl durante a filtração, após a extração realizada com
auxílio da agitação magnética. Para isso modificou-se a forma de adição da
solução de HCl ao filtro. Neste caso, ao invés de manter o nível da solução de
HCl no filtro em seu patamar máximo, mantendo assim a vazão de filtração
constante, a solução de HCl foi reposta apenas ao final de cada volume filtrado
(cerca de 15 mL). Trabalhando desta maneira, o tempo de filtração foi
aumentado (após extração com agitação magnética) para 220 min. Os resultados
obtidos estão mostrados abaixo (Figura 16) em comparação com os resultados
obtidos após a extração assistida por ultra-som.
60
120
US
Recuperação
Acumulada de Cu (%)
100
AM
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
100
120
Volume coletado (mL)
Figura 16. Comparação entre as recuperações acumuladas de cobre obtidas nas
frações resultantes da filtração após da extração com ultra-som e agitação
magnética. Filtração com controle da vazão.
Como pode ser observado, um aumento expressivo da recuperação do Cu
de 44,7% para 100% foi verificado. Ainda, os perfis das curvas são semelhantes,
demonstrando que o tempo de contato entre a amostra e a solução extratora
desempenha papel fundamental para a extração do Cu neste tipo de amostra, ou
nesta amostra especificamente.
A fim de avaliar a influência da composição da amostra sobre a extração
do Cu, um teste foi realizado empregando-se um SMM com composição distinta
daquele utilizado como referência nos estudos anteriores (SMM-2). Do mesmo
modo, as concentrações totais de metais no SMM-2 foram determinadas após a
61
digestão total da amostra em forno de microondas, sendo as recuperações
calculadas a partir destes valores.
Tabela 9. Concentrações dos metais (determinados e tabelados) na amostra
SMM-2. Os resultados são apresentados como média ± desvio padrão.
Elemento*
Concentração
Concentração
Determinada (mg/g)**
Indicada (mg/g)
Cu (n = 3)
0,89 ± 0.01 (1,1 %)
0,90
Mn (n = 3)
0,52 ± 0,02 (3,8 %)
0,50
Fe (n =3)
31,6 ± 2,4 (7,6 %)
32,0
Zn (n = 3)
< LD
-
O experimento de avaliação da influência da composição da amostra
consistiu na aplicação do procedimento usual (5 min de extração com HCl 1
mol/L usando ultra-som) para extração dos metais em três amostras diferentes:
(1) no SMM de referência inicial (SMM-1); (2) no novo SMM de referência
(SMM-2) e; (3) numa amostra composta pelos dois SMMs na proporção de 50
%, em massa, de cada um. Os resultados obtidos neste experimento estão
resumidos na Figura 17
Como pode ser visto, as recuperações obtidas para Fe, Mn e Zn, não
apresentaram diferença significativa para cada uma das situações avaliadas,
demonstrando que a matriz não exerce efeito marcante sobre a extração destes
metais.
No caso do Cu, entretanto, nota-se um grande incremento na extração do
mesmo presente no SMM-2 em relação ao SMM-1, indicando que a composição
da amostra tem grande influência sobre o processo de extração. Esta afirmação
fica ainda mais evidente quando o resultado obtido para a amostra-mistura é
62
analisado. A recuperação de Cu nesta situação foi inferior àquela esperada, que
seria um valor próximo à média das recuperações obtidas para cada um dos
SMMs individualmente ((92,4 % + 8,4 %)/2 = 50,4 %), uma vez que a
proporção, em massa, de cada SMM na amostra foi de 50 %. A recuperação
obtida foi de 38 %, demonstrando que a matriz do SMM-1 parece estar
influenciando a extração do Cu presente no SMM-2. Este fenômeno demonstra
que os efeitos de matriz devem ser responsáveis pela baixa extração do Cu
observada no SMM-1.
SMM-1
120
SMM-2
Mistura
100
Recuperação (%)
80
60
40
20
0
Cu
Fe
Mn
Zn
Elemento
Figura 17. Avaliação da influência da composição da amostra na aplicação do
procedimento usual (5 min de extração com HCl 1 mol/L usando ultra-som) para
extração dos metais em três amostras diferentes: (1) no SMM de referência
inicial (SMM-1); (2) no novo SMM de referência (SMM-2) e; (3) numa amostra
composta pelos dois SMMs na proporção de 50 %, em massa, de cada um.
63
Uma vez observada a influência da matriz, buscou-se, a partir da
comparação entre as formulações testadas, encontrar um componente presente
em grande quantidade na matriz do SMM-1 e que estivesse ausente na matriz do
SMM-2. O componente identificado foi o silicato, presente como excipiente do
SMM-1. Com esta informação em mãos foi realizado um estudo da distribuição
do Cu entre diferentes frações do SMM-1. Para este estudo foram consideradas 3
frações distintas: (I) Cu facilmente extraível, que representa aquele extraído por
agitação com a solução de HCl 1 mol/L durante 5 min; (II) Cu extraível por
água-régia (100 mL) e (III) Cu remanescente na fração sólida, tipicamente
silicato, que foi medido após digestão total com HF. Um fluxograma, resumindo
o procedimento adotado está mostrado na Figura 18.
Amostra
0,12 g em
becher 50 mL
Adicionar 20 mL de HCl 1 mol/L
Extraçao
Solido
Filtraçao
Agitaçao magnetica por 5 min
Extrato
Mediçao
Cu, Fe, Mn e Zn
Fraçao (I)
Solido
Digestao total
Incineraçao + HF
Extraçao
100 mL de
agua-regia
Extrato
Mediçao
Cu, Fe, Mn e Zn
Fraçao (II)
Mediçao
Cu, Fe, Mn e Zn
Fraçao (III)
Figura 18. Fluxograma do estudo da distribuição do Cu entre diferentes frações do SMM-1.:
(I) Cu facilmente extraível, que representa aquele extraído por agitação com a solução de HCl
1 mol/L durante 5 min; (II) Cu extraível por água-régia (100 mL) e (III) Cu remanescente na
fração sólida, tipicamente silicato, que foi medido após digestão total com HF.
64
A distribuição do cobre entre as diferentes frações (Tabela 10) indica que
o percentual de cobre efetivamente ligado ao silicato presente como excipiente é
baixo (cerca de 10 %) quando comparado às outras frações. Ainda é possível
perceber que a maior parcela do cobre presente no SMM-1 foi extraída pela
água-régia. Durante esta etapa foi observado um clareamento do sólido presente
no papel de filtro, indicando que uma alteração na sua composição foi efetuada
pela passagem da água-régia.
Tabela 10. Distribuição de cobre no SMM-1, de acordo com o experimento
mostrado na Figura 18. Valores de média expressos como média ± desviopadrão.
Cu Extraído por Fração (%)
Replicata
I
II
III
Total
1
34,0
58,9
7,4
100,3
2
37,9
40,4
14,1
92,4
Média
35,9 ± 2,8
49,6 ± 13,1
10,8 ± 4,7
96,4 ± 5,6
4.3.4. Extrações de longo tempo
Diante dos resultados obtidos nos estudos anteriores foi possível concluir
que a variável mais importante para a extração do Cu era o tempo de contato
entre a amostra e a solução extratora de HCl. Desse modo, um experimento foi
realizado a fim de estabelecer por quanto tempo este contato deve ser mantido
até a extração quantitativa do Cu. Obviamente, o longo tempo requerido para
extração do Cu não se aplica para os outros analitos, que são prontamente
extraídos das amostras, independentemente da composição, nos primeiros 5 min
com solução de HCl 1 mol/L. Para este propósito, 0,12 g do SMM-1 foram
65
misturados com 20 mL de solução de HCl 1 mol/L. A suspensão foi agitada
magneticamente durante 5 min e deixadas em repouso por tempos que variaram
de 0 a 24 h. Depois de decorrido o tempo estabelecido no estudo, cada suspensão
foi filtrada e as recuperações dos metais foram calculadas após a medição de
suas concentrações no filtrado por FAAS (Figura 19). Os resultados obtidos
estão mostrados na Figura 20.
Amostra
0,12 g em becher 50 mL
Adicionar 20 mL de HCl 1 mol/L
Agitaçao magnetica
por 5 min
Homogenizaçao
Repouso
0 a 24 h
Filtraçao
Mediçao
Cu, Fe, Mn e Zn
Figura 19. Fluxograma do experimento para determinar o tempo requerido para
extração total de Cu
Como esperado, Fe, Mn e Zn foram totalmente extraídos logo após a
agitação. Entretanto, o Cu só foi liberado totalmente da amostra após 8 horas de
contato. Portanto, para assegurar total liberação do Cu, mesmo em amostras
contendo altas concentrações deste elemento, um tempo de contato de 12 h, foi
estabelecido para a metodologia. Estes dados corroboram a hipótese levantada
previamente, que sustenta que a extração do Cu, em determinados tipos de
66
amostra de SMM, é lenta e depende fortemente do tempo de contato entre a
solução extratora ácida e o SMM.
120
Recuperação (%)
100
80
60
40
Cu
Fe
Mn
20
Zn
0
0
5
10
15
20
25
30
Tempo de Repouso (h)
Figura 20. Efeito do tempo de contato entre amostra (SMM-1) e a solução
extratora (HCl 1 mol/L) sobre as recuperações de Cu, Fe, Mn e Zn.
4.4. Extrações de metais dos SMMs empregando radiação microondas e
solução de ácido diluído.
O processo de otimização de metodologias em Química Analítica vem
sofrendo notáveis transformações nos últimos anos. Processos de otimização
univariados vêm sendo deixados de lado para dar lugar a processos
multivariados, onde as influências de diferentes parâmetros do procedimento são
avaliadas simultaneamente. Os procedimentos multivariados estão, na grande
maioria das vezes, baseados na geração e análise de superfícies de resposta.
67
A metodologia de superfícies de resposta (RSM, do inglês Response
Surface Methodology) possui duas distintas etapas: (1) modelagem e (2)
deslocamento. Tais etapas devem ser repetidas quantas vezes forem necessárias,
até que a região ótima de trabalho seja atingida. O processo de modelagem é
relativamente simples, apenas ajustando-se modelos (lineares ou quadráticos) às
respostas obtidas nos experimentos previamente planejados de acordo com uma
metodologia pré-estabelecida.
Nos dias de hoje, modelos de segunda ordem como Box-Behnken,
Central-Compósito e matriz de Doehlert estão entre os mais empregados para a
otimização de metodologias via RSM. A grande vantagem destes modelos é o
baixo número de experimentos necessário para construção dos mesmos. Apesar
do uso mais freqüente dos modelos Central-Compósito, os modelos BoxBehnken e Doehlert necessitam de um menor número de experimentos (N) para
sua elaboração. Este número pode ser expresso por N = k2 + k + 1, onde k é o
número de variáveis em estudo.
Outra vantagem associada ao uso dos modelos Doehlert é a sua mais alta
eficiência (φ), que é determinada dividindo-se o número de coeficientes da
equação quadrática (p) pelo número de experimentos (N) realizados. A Tabela
abaixo [Ferreira et al., 2004] apresenta uma comparação entre os valores de p, N
e φ para estes três diferentes tipos de modelos em relação ao número de variáveis
estudadas.
68
Tabela 11. Características de diferentes modelagens empregadas em otimização
multivariada. CC = Compósito Central, BB = Box-Behnken e DH = Doehlert.
Variáveis
Número de
Número de
Eficiência
(k)
coeficientes (p)
Experimentos (N)
(φ = p/N)
CC
BB
DH
CC
BB
DH
2
6
9
-
7
0,67
-
0,86
3
10
15
13
13
0,67
0,77
0,77
4
15
25
25
21
0,60
0,60
0,71
5
21
43
41
31
0,49
0,61
0,68
6
28
77
61
43
0,36
0,46
0,65
7
36
143
85
57
0,25
0,42
0,63
8
45
273
113
73
0,16
0,40
0,62
A utilização da modelagem Doehlert como alternativa para otimização de
processos foi proposta em 1970 [Doehlert, 1970]. Entretanto, apenas nos últimos
anos este método de modelagem vem sendo utilizado com maior freqüência. A
primeira aplicação analítica da matriz de Doehlert ocorreu em 1989, para a
otimização de uma separação cromatográfica [Hu e Massart, 1989]. Desde então
um número considerável de publicações relacionadas ao tema pode ser
encontrado na literatura.
Como mencionado anteriormente, Hu e Massart [1989] utilizaram a
modelagem Doehlert para otimização de um processo de separação por
cromatografia a líquido de alta eficiência (CLAE) de dois grupos de
componentes farmacêuticos. O primeiro grupo consistia numa mistura de 6
substâncias com acidez e polaridades diversas e o segundo grupo era composto
de uma mistura de cinco sulfamidas. Os princípios do método de modelagem
usando a matriz de Doehlert são apresentados no artigo através destes exemplos.
69
Nechar et al. [1995] aplicaram a matriz Doehlert na otimização das
condições de análise das espécies de Zn+2 - PAR na presença de iodeto. Eles
mostraram que a otimização das variáveis [Zn+2] e [PAR] pode ser realizada com
maior simplicidade, rapidez e eficiência quando comparada com a metodologia
tradicional (univariada).
Campana et al. [1997] apresentam um estudo de método multivariado da
matriz de Doehlert para otimização de três variáveis experimentais para obter a
intensidade máxima de fluorescência do complexo binário Ge-Quercetin na
presença de um meio micelar não iônico.
A extração de As de tecidos de mexilhão foi realizada por Dagnac et al.
[1998] usando microondas focalizado de baixa energia e cromatografia de troca
iônica com detecção por ICP-MS. O processo multivariado Doehlert permitiu
quantificar a influência da energia da radiação microondas, do tempo de
exposição e das proporções relativas de metanol/água na extração.
Ferreira et al. [2001] desenvolveram um processo simples e eficiente para
a pré-concentração e determinação de Mo em água do mar através da extração
em fase sólida do íon Mo(V) na forma de um complexo com tiocianato por
espuma de poliuretano e análise por ICP-OES. O processo de otimização foi
conduzido por uma matriz Doehlert com as sequintes variáveis otimizadas:
volume da solução, tempo de agitação, concentração de tiocianato e
concentração de ácido clorídrico. Foi comprovado que os quatro fatores e a
interação entre eles são significativos na obtenção de condições ótimas para a
pré-concentração de molibdênio.
Santelli et al. [2006] utilizaram a metodologia de superfícies de resposta
(RSM, do inglês Response Surface Methodology) para determinação de Fe, Zn e
Mn por espectrometria de absorção atomica (FAAS) em amostras de alimentos
após empregar um sistema de digestão de microondas focalizado. Uma matriz de
Doehlert foi usada para encontrar a melhor condição das três variáveis usadas
70
(energia, tempo e composição da solução oxidante HNO3/H2O2). O uso de
materiais de referência e um método bem estabelecido com microondas fechado
foram usados para comprovar a eficiência do processo.
Figura 21. Distribuição espacial da modelagem Doehlert.
1
0.866
2
3
Concentração
0.577
4
0.289
0.000
5
6
8
7
9
-0.289
10
-0.577
11
-0.866
13
12
-1.0
0.0
-0.5
0.5
1.0
Tempo
Figura 22. Representação gráfica dos experimentos realizados na modelagem
Doehlert, com as variáveis codificadas.
71
1
1.0
2
3
Concentração (mol/L)
0.84
4
0.67
0.50
6
5
8
7
9
0.34
10
0,17
11
0
13
12
5
15
10
20
25
Tempo (min)
Figura 23. Representação gráfica dos experimentos realizados na modelagem
Doehlert, com as variáveis assumindo seus valores reais. As circunferências
preenchidas com preto, cinza e branco representam as potências de 600, 400 e
200 W, respectivamente.
Neste trabalho, um procedimento de extração de metais nos SMM
empregando radiação microondas foi otimizado utilizando-se um planejamento
experimental baseado na matriz de Doehlert. Na verdade, dois modelos foram
construídos (um empregando HNO3 como extrator e outro empregando HCl)
tomando-se como variáveis a serem otimizadas a concentração de ácido na
solução extratora (C), a potência (P) e o tempo de irradiação (t), cujos valores
variaram de acordo com os dados apresentados na Figura 23 e na Tabela 5.
72
O processo de extração via radiação microondas foi estudado de modo
multivariado a fim de evitar um longo e laborioso processo de otimização
univariado. Os resultados obtidos estão mostrados nas Tabelas 12 e 13.
73
Tabela 12. Resultados obtidos para o planejamento Doehlert para HCl
Concentração do Ácido
Potência
Tempo
Experimento
(mol/L)
(W)
(min)
Cu
Fe
Mn
Zn
12
0,00
400
10
0,00
0,00
0,00
0,00
13
0,00
400
20
0,00
0,00
0,00
0,00
11
0,17
200
15
82,1
95,6
114
103
9
0,34
600
10
107,5
109
112
114
10
0,34
600
20
83,4
101
115
99,9
7
0,50
400
15
123
95,9
106
93,8
6
0,50
400
5
75,2
97,5
100
102
8
0,50
400
25
121
100
107
106
4
0,67
200
10
103
118
137
108
5
0,67
200
20
80,9
78,81
84,6
101
3
0,84
600
15
112
92,43
98,5
104
1
1,00
400
10
98,8
94,84
96,5
100
2
1,00
400
20
108
99,70
108
104
74
Recuperação (%)
Tabela 13. Resultados obtidos para o planejamento Doehlert para HNO3.
Concentração do Ácido
Potência
Tempo
Experimento
(mol/L)
(W)
(min)
Cu
Fe
Mn
Zn
12
0,00
400
10
0,00
0,00
0,00
0,00
13
0,00
400
20
0,00
0,00
0,00
0,00
11
0,17
200
15
104
86,7
94,8
95,3
9
0,34
600
10
108
24,9
113
104
10
0,34
600
20
83,4
93,2
99,2
102
7
0,50
400
15
83,1
103
110
104
6
0,50
400
5
99,2
99,0
109
106
8
0,50
400
25
86,4
80,8
85,1
83,1
4
0,67
200
10
88,6
102
107
108
5
0,67
200
20
95,5
45,6
97,8
98,8
3
0,84
600
15
108
85,9
96,8
86,6
1
1,00
400
10
95,8
110
109
98,1
2
1,00
400
20
91,8
85,50
89,2
91,0
75
Recuperação (%)
A modelagem dos dados obtidos, apresentados acima, foi realizada
empregando-se o módulo Experimental Design do programa Statistica for
Windows, versão 5.0. A recuperação obtida para cada experimento foi calculada
com base nos valores obtidos na abertura total das amostras com HNO3
concentrado. As equações que representam as superfícies de resposta obtidas
foram:
(1) Para o caso do HCl
Cu extraído (%) = 0,769 + 191 C –247 C2 – 0,173 P + 6,67 x 10-5 P2 + 8,76 t –
0,286 t2 0,366 C P + 0,862 C t + 1,64 x 10-4 P t.
Fe extraído (%) = 261 + 63,5 C -187 C2 -0,920 P + 7.56 x 10-4 P2 – 4,51 t +
0,0151 t2 + 0,536 C P + 0,448 C t + 8,46 x 10-3 P t.
Mn extraído (%) = 334 + 42,6 C -214 C2 – 1,17 P + 8,85 x 10-4 P2 – 5,59 t -
0,0397 t2 + 0,643C P + 1,09 C t + 1,48 x 10-2 P t.
Zn extraído (%) = 239 + 50,8 C -173 C2 – 0,905 P + 9,04 x 10-4 P2 – 2,11 t +
0,0820 t2 + 0,548 C P +0,373 C t -1,61 x 10-3 P t.
(2) Para o caso do HNO3
Cu extraído (%) = 202 + 29,4 C – 141 C2 -0,823 P + 9,13 x 10-4 P2 + 1,16 t
+0,0565 t2 +0,530 C P – 0,403 C t – 8,11 x 10-3 P t.
Fe extraído (%) = 179 + 132 C – 200 C2 – 0,556 P -1,81 x 10-6 P2 - 2,46 t -0,138
t2 + 0,504 C P – 2,38 C t + 1,92 x 10-2 P t.
76
Mn extraído (%) = 117 + 152 C – 223 C2 – 0,579 P + 5,56 x 10-4 P2 + 5,13 t –
0,141 t2 + 0,500 C P – 1,97 C t – 2,61 x 10-3 P t.
Zn extraído (%) = 172 + 109 C – 216 C2 – 0,712 P + 6,22 x 10-4 P2 +1,98 t –
9,70 x 10-2 t2 + 0,531 C P – 0,702 C t + 1,24 x 10-3 P t.
A identificação das coordenadas do ponto crítico de cada uma das
superfícies de resposta obtidas (experimentos para cada metal estudado e para
HCl e HNO3) foi realizada pela resolução de um sistema com três equações
lineares e três incógnitas (concentração, potência e tempo), decorrentes da
aplicação das seguintes derivadas às equações obtidas para as superfícies:
δY/δC = 0, δY/δP = 0 e δY/δt = 0
onde Y representa o percentual extraído para cada metal e C, P e t são as
variáveis concentração, potência e tempo, respectivamente.
A resolução do sistema foi realizada utilizando-se o seguinte método de
cálculo:
C 
 
A −1 B = P
 
 t 
onde A-1 é a matriz inversa dos coeficientes das equações lineares obtidas pela
derivação das equações das superfícies e B é a matriz contendo os termos
independentes, com sinal invertido, das mesmas equações lineares.
Os modelos obtidos quando da utilização de soluções de HNO3 como
extrator apresentaram correlações (teórico x experimental) que variaram de
0,971 (Fe) a 0,998 (Mn e Zn) (Tabela 14), evidenciando que tais modelos
77
possuem capacidade de previsão do percentual de extração satisfatória em
função das condições experimentais utilizadas. Mesmo para o Cu, ao contrário
de outros métodos de extração como ultra-som e agitação magnética,
recuperações sempre próximas a 100 % foram observadas. Este fenômeno nos
leva a crer que um aumento da temperatura do sistema, como no caso da
utilização da radiação microondas, exerce notável influência sobre a velocidade
de extração deste metal do SMM-1, confirmando a hipótese previamente
levantada de que o processo de extração do Cu, neste tipo de amostra, à
temperatura ambiente, é controlado por uma cinética muito lenta.
Os modelos obtidos com a utilização de soluções de HCl também
apresentaram correlação satisfatória com os valores obtidos experimentalmente.
Entretanto, no cálculo dos pontos críticos, para o caso do Fe, foram obtidos
valores, para as variáveis estudadas, fora da faixa experimental traçada pelo
planejamento, o que inviabiliza a utilização destas condições experimentais. As
condições em que as máximas recuperações foram obtidas estão mostradas na
Tabela 14.
Tabela 14. Pontos de máximas recuperações determinados pela modelagem
Doehlert.
C
P
HCl
t
r (correlação)
C
P
HNO3
t
r (correlação)
Cu
0,45 mol/L
48 W
16 min
0,945
0,68 mol/L
320 W
15 min
0,975
Fe
1,60 mol/L
1167 W
- 204 min
0,982
0,72 mol/L
361 W
10 min
0,971
Mn
0,66 mol/L
314 W
14 min
0,984
0,60 mol/L
278 W
11 min
0,998
Zn
0,66 mol/L
365 W
7 min
0,990
0,61 mol/L
303 W
10 min
0,998
Como pode ser visto, ao contrário do HCl, a utilização do HNO3 levou à
obtenção de condições de extração sempre situadas dentro da região
78
experimental definida pelo planejamento. Deste modo o HNO3 foi escolhido
como ácido extrator para a metodologia empregando radiação microondas. As
condições finais escolhidas foram:
(A) concentração da solução de HNO3 = 0,70 mol/L
(B) potência aplicada = 360 W
(C) tempo de irradiação = 15 min
Estes valores foram escolhidos levando-se em conta as condições obtidas
para cada elemento e a robustez dos modelos gerados.
A influência de cada variável estudada foi avaliada empregando-se os
gráficos de Pareto, que levam em consideração os efeitos das variáveis
normalizadas e suas interações. Para todos os casos estudados, a variável
concentração de ácido na solução extratora apresentou efeito predominante sobre
o percentual de extração dos metais, como pode ser visto nas Figuras (24 a 27).
Este resultado, pelo menos para o caso do Cu, está em contradição com
observações prévias, em que a variável tempo se mostrou fundamental para a
obtenção de recuperações quantitativas deste metal. Isto pode ser explicado pelas
faixas empregadas no planejamento experimental para cada variável. Como a
concentração foi testada a partir de uma situação em que a concentração de ácido
era nula (água como extrator)- que apresentou, portanto, eficiência de extração
muito baixa - grandes variações nos percentuais de extração foram
experimentadas para todos os metais, pela simples mudança da solução extratora
de água para qualquer concentração de ácido.
79
(A)
p=,05
(1)CONC(L)
3,918569
CONC(Q)
-2,56725
1Lby2L
1,240597
(2)POT(L)
,9728769
TEMPO(Q)
-,891112
(3)TEMPO(L)
,516117
1Lby3L
,1632001
POT(Q)
,1066659
2Lby3L
-0,5
,01185
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
Efeito estimado
(B)
p=,05
(1)CONC(L)
5,823459
1Lby2L
2,940106
POT(Q)
2,631468
CONC(Q)
-2,40974
(2)POT(L)
1,34
2Lby3L
-,956371
(3)TEMPO(L)
-,727729
TEMPO(Q)
,2887042
1Lby3L
-,124954
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
Efeito estimado
Figura 24. Gráficos de efeitos normalizados (Pareto) para o caso da extração do
cobre empregando radiação microondas com (A) HCl e (B) HNO3.
80
(A)
p=,05
(1)CONC(L)
6,841031
CONC(Q)
-3,61484
1Lby2L
3,369468
POT(Q)
2,466004
(2)POT(L)
2,355971
2Lby3L
1,125467
(3)TEMPO(L)
-,648905
1Lby3L
,1575326
TEMPO(Q)
,0874961
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Efeito estimado
(B)
p=,05
(1)CONC(L)
5,304897
CONC(Q)
-2,9859
1Lby2L
2,447064
2Lby3L
1,98335
1Lby3L
-,647411
TEMPO(Q)
-,617329
(2)POT(L)
-,388507
(3)TEMPO(L)
-,121595
POT(Q)
-,004558
-1
0
1
2
3
4
5
6
Efeito estimado
Figura 25. Gráficos de efeitos normalizados (Pareto) para o caso da extração do
Ferro empregando radiação microondas com (A) HCl e (B) HNO3
81
(A)
p=,05
(1)CONC(L)
6,735255
CONC(Q)
-3,87451
1Lby2L
3,792228
POT(Q)
2,708977
(2)POT(L)
2,14308
2Lby3L
1,860322
(3)TEMPO(L)
-,392949
1Lby3L
,3598406
TEMPO(Q)
-,215434
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Efeito estimado
(B)
p=,05
(1)CONC(L)
18,6426
CONC(Q)
-11,5506
1Lby2L
8,406196
(2)POT(L)
6,021216
POT(Q)
4,850412
(3)TEMPO(L)
-4,22313
TEMPO(Q)
-2,17784
1Lby3L
-1,85464
2Lby3L
-,934318
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Efeito estimado
Figura 26. Gráficos de efeitos normalizados (Pareto) para o caso da extração do
Manganês empregando radiação microondas com (A) HCl e (B) HNO3
82
(A)
p=,05
(1)CONC(L)
9,252522
1Lby2L
4,430283
CONC(Q)
-4,2993
POT(Q)
3,78809
(2)POT(L)
2,60412
TEMPO(Q)
,6091166
2Lby3L
-,275822
(3)TEMPO(L)
-,198086
1Lby3L
,1682713
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Efeito estimado
(B)
p=,05
(1)CONC(L)
23,31509
CONC(Q)
-14,6195
1Lby2L
11,71274
(2)POT(L)
7,342753
POT(Q)
7,121897
(3)TEMPO(L)
-3,87024
TEMPO(Q)
-1,96888
1Lby3L
-,865623
2Lby3L
,5784715
-5
0
5
10
15
20
25
30
Efeito estimado
Figura 27. Gráficos de efeitos normalizados (Pareto) para o caso da extração do
Zinco empregando radiação microondas com (A) HCl e (B) HNO3
83
4.5. Determinação de Cu, Fe, Mn e Zn em amostras reais de SMMs
A fim de avaliar a aplicabilidade das metodologias investigadas neste
trabalho, as concentrações de Cu, Fe, Mn e Zn foram determinadas em 7
amostras de suplementos alimentares encontrados no mercado brasileiro. Foram
empregados os métodos de preparo estudados e detecção por espectrometria de
absorção atômica com chama. Os resultados das determinações estão
apresentados na Tabela 15.
Os resultados obtidos foram analisados sob o ponto de vista da
concordância entre os valores determinados por cada método e os valores
encontrados na abertura total das amostras com HNO3 concentrado em forno de
microondas. A partir de tais dados, a correlação entre cada método de preparo e a
abertura total foi quantificada, considerando-se 0,990 como valor limite para
considerar que existe correlação ou não entre os métodos testados. As equações
relativas à comparação entre as metodologias e as respectivas correlações estão
mostradas na Tabela 16.
84
Tabela 15. Resultados obtidos na determinação de Cu, Fe, Mn e Zn em amostras
de SMMs encontrados no comércio local empregando as diferentes metodologias
estudadas. Dados em mg/g expressos como média ± desvio-padrão.
Amostra
Cu
A
B
C
D
E
F
G
Fe
A
B
C
D
E
F
G
Mn
A
B
C
D
E
F
G
Zn
A
B
C
D
E
F
G
MO
AM
Procedimento
US
0,87 ± 0,07
2,00 ± 0,03
0,87 ± 0,06
0,98 ± 0,08
1,20 ± 0,13
0,89 ± 0,02
0,66 ± 0,05
0,72 ± 0,06
1,97 ± 0,03
0,65 ± 0,02
0,20 ± 0,07
0,16 ± 0,04
0,89 ± 0,02
0,69 ± 0,06
0,77 ± 0,04
1,94 ± 0,05
0,87 ± 0,03
0,26 ± 0,08
0,21 ± 0,02
0,83 ± 0,07
0,70 ± 0,05
0,81 ± 0,01
2,06 ± 0,02
0,74 ± 0,01
0,91 ± 0,06
1,25 ± 0,01
0,89 ± 0,08
0,76 ± 0,06
0,83 ± 0,02
2,03 ± 0,01
0,86 ± 0,06
0,95 ± 0,13
1,24 ± 0,03
0,89 ± 0,01
0,71 ± 0,07
5,32 ± 0,50
0,44 ± 0,04
8,76 ± 0,95
2,64 ± 0,29
11,0 ± 0,2
30,0 ± 1,0
6,49 ± 0,16
5,82 ± 0,18
0,28 ± 0,02
8,13 ± 0,29
2,69 ± 0,42
11,4 ± 0,4
32,7 ± 1,4
6,00 ± 0,63
6,51 ± 0,73
0,27 ± 0,04
9,21 ± 0,14
2,93 ± 0,17
10,9 ± 0,5
32,7 ± 3,2
6,48 ± 1,18
5,43 ± 0,26
0,34 ± 0,02
8,80 ± 0,03
2,91 ± 0,32
12,1 ± 0,9
32,5 ± 1,8
7,56 ± 2,54
5,72 ± 0,59
0,41 ± 0,01
9,51 ± 0,05
2,92 ± 0,40
11,7 ± 0,1
31,6 ± 2,4
6,26 ± 0,96
0,55 ± 0,07
0,31 ± 0,01
0,32 ± 0,06
1,62 ± 0,16
1,26 ± 0,11
0,53 ± 0,05
0,45 ± 0,03
0,39 ± 0,02
0,29 ± 0,03
0,20 ± 0,01
1,54 ± 0,11
1,29 ± 0,01
0,56 ± 0,01
0,45 ± 0,05
0,46 ± 0,05
0,33 ± 0,01
0,27 ± 0,02
1,68 ± 0,12
1,29 ± 0,06
0,54 ± 0,03
0,42 ± 0,03
0,41 ± 0,02
0,29 ± 0,01
0,22 ± 0,02
1,65 ± 0,02
1,28 ± 0,04
0,56 ± 0,01
0,47 ± 0,04
0,49 ± 0,06
0,31 ± 0,01
0,33 ± 0,01
1,61 ± 0,06
1,28 ± 0,01
0,52 ± 0,02
0,41 ± 0,03
0,77 ± 0,04
15,2 ± 0,8
0,41 ± 0,03
9,76 ± 0,18
9,36 ± 0,32
< LD
0,85 ± 0,05
0,77 ± 0,06
13,4 ± 0,3
0,35 ± 0,01
9,05 ± 1,14
9,53 ± 0,11
< LD
0,45 ± 0,02
0,75 ± 0,06
15,7 ± 0,6
0,37 ± 0,03
9,63 ± 0,59
9,30 ± 0,29
< LD
0,52 ± 0,10
0,71 ± 0,05
12,9 ± 1,2
0,35 ± 0,03
8,88 ± 0,04
9,14 ± 0,33
< LD
0,87 ± 0,10
0,76 ± 0,05
15,8 ± 0,8
0,44 ± 0,02
9,66 ± 1,46
9,03 ± 0,18
< LD
0,81 ± 0,10
85
12 h
DT
Tabela 16. Correlação entre os procedimentos e a abertura total
Analito/Método
US vs DT
AM vs DT
12 h vs DT
MO vs DT
US vs DT
AM vs DT
12 h vs DT
MO vs DT
US vs DT
AM vs DT
12 h vs DT
MO vs DT
US vs DT
AM vs DT
12 h vs DT
MO vs DT
Equação
Cobre
US = 0,553 DT + 0,632
AM = 0,534 DT + 0,669
12h = 0,951 DT + 0,065
MO = 0,973 DT + 0,023
Ferro
US = 0,967 DT + 0,196
AM = 0,957 DT + 0,570
12h = 0,969 DT + 0,088
MO = 0,948 DT + 0,015
Manganês
US = 0,948 DT + 0,031
AM = 0,982 DT + 0,045
12h = 0,943 DT + 0,050
MO = 0,984 DT + 0,024
Zinco
US = 0,991 DT + 0,092
AM = 1,10 DT - 0,069
12h = 1,15 DT - 0,242
MO = 0,978 DT + 0,112
R
0,698
0,711
0,994
0,997
0,999
0,998
0,998
0,999
0,998
0,992
0,994
0,998
0,999
0,992
0,992
0,999
Como pode ser visto, correlações sempre superiores a 0,990 foram
verificadas na comparação entre todos os métodos para os casos do Fe, Mn e Zn.
Ainda, é importante ressaltar que as inclinações das retas obtidas estiveram
próximas à unidade, na maioria dos casos, com os valores variando entre 0,943 e
1,15.
No caso do Cu, este mesmo fenômeno não foi observado, uma vez que
correlações satisfatórias foram verificadas somente quando as metodologias de
extração de longo tempo (12h) e extração com microondas foram comparadas
com a abertura total da amostra. Para estes casos, as inclinações das retas obtidas
também apresentaram valores próximos de 1 (0,951 e 0,973. respectivamente),
indicando que não existe diferença significativa entre os métodos.
86
Ainda em relação à determinação de Cu, outra observação pode ser
comentada. Quando as amostras D e E são retiradas do conjunto, com vistas à
comparação entre as metodologias de extração, mesmo para o Cu as correlações
e inclinações calculadas se aproximam de 1 (Tabela 17), indicando que, na
verdade estas amostras são responsáveis pelo desvio observado.
Tabela 17. Correlação entre os procedimentos e a abertura total para Cu sem as
amostras D e E
Analito/Método
US vs DT
AM vs DT
12 h vs DT
MO vs DT
Equação
Cobre
US = 1,05 DT - 0,0098
AM = 0,963 DT + 0,116
12h = 0,954 DT + 0,059
MO = 0,981 DT + 0,014
R
0,998
0,989
0,994
0,998
Esta observação é importante pois confirma a hipótese levantada durante a
avaliação das metodologias de extração, que indica que a composição global do
suplemento multivitamínico/multimineral é um parâmetro fundamental na
escolha da metodologia de extração, principalmente para a determinação de Cu.
Assim, considerando os resultados obtidos e tomando como referência as
concentrações determinadas após a digestão total das amostras, os métodos de
extração de longo tempo (12 h) e microondas com ácido diluído podem ser
considerados os mais indicados para a análise dos suplementos vitamínicos, uma
vez que apresentaram resultados estatisticamente similares à abertura total para
todos os elementos avaliados.
87
5. CONCLUSÕES
Através dos resultados obtidos nesse estudo foi possível concluir que a
extração com ácido clorídrico diluído (1 mol L-1) pode ser considerada uma boa
alternativa à digestão total (ou parcial) de amostras de suplementos
multivitamínicos/multiminerais visando a determinação de metais.
Para Fe, Mn e Zn a extração quantitativa pôde ser obtida pela simples
sonicação ou agitação magnética da suspensão obtida pela mistura entre as
amostras sólidas e a solução extratora por 5 min. Este procedimento pode ser
utilizado, para estes analitos, para amostras com diferentes composições,
indicando que esses elementos estão fracamente ligadas a matriz sólida.
Contudo, para o Cu, este mesmo fenômeno não foi observado. Dependendo da
composição global da amostra a extração deste metal empregando solução de
ácido clorídrico 1 mol/L é fortemente influenciada pelo tempo de contato entre a
amostra sólida e a solução extratora. Nesse caso, para algumas amostras, o Cu
somente é extraído se o contato entre a amostra e a solução extratora for mantido
por tempos superiores a 8 h, indicando que há uma lenta cinética no processo de
liberação dos íons Cu(II) presentes na fase sólida. Diante destas observações é
possível concluir que a composição global da amostra de SMM deve ser levada
88
em consideração quando da escolha de um método de extração de metais com
ácido diluído.
As estratégias de agitação, à temperatura ambiente, avaliadas (ultra-som e
agitação magnética) não mostraram efeito relevante sobre o processo de
extração, indicando que o principal efeito do ultra-som em tais amostras reside
somente na melhoria do contato entre a solução extratora e a amostra.
Por sua vez, a extração empregando radiação microondas com solução de
diluída de ácido nítrico se mostrou mais eficiente que as outras, sendo capaz de
promover a extração total de todos os analitos em todas as amostras, quando da
irradiação das mesmas por 15 min, à 360 W e concentração de ácido nítrico 0,70
mol/L. Deste modo, pode-se comprovar que a temperatura do sistema exerce
grande efeito sobre o processo de extração do cobre, que mostrou-se
extremamente lento à temperatura ambiente, porém muito rápido quando a
extração foi realizada sob aquecimento via radiação microondas.
89
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Abarca, A.; Canfranc, E.; Sierra, I.; Marina, M.L., A validated flame AAS
method
for
determining
magnesium
in
multivitamin
pharmaceutical
preparations, J. Pharm. Biomed. Anal. 25 (2001) 941 - 945.
Al-Merey, R.; Al-Masri, M. S.; Bozou, R.; Cold ultrasonic acid extraction of
copper, lead and zinc from soil samples, Anal. Chim. Acta 452 (2002) 143-148.
Ashley, K.; Ultrasonic extraction of heavy metals from environmental and
industrial hygiene samples for their subsequent determination, Trends Anal.
Chem. 17 (1998) 366-372.
Babic, S.; Petrovic, M.; Kastelan-Macan, M.; Ultrasonic solvent extraction of
pesticides from soil, J. Chromatogr. A 823 (1998) 3-9.
Barbosa, J.C.S.; Serra, A.A.; Ultra-som (i): influência do ultra-som na química,
Química Nova 15 (1992) 302-316.
90
Bermejo-Barrera, P.; Moreda-Pineiro, A.; Bermejo-Barrera, A.; Factorial designs
for Cd, Cr, Hg, Pb and Se ultrasound-assisted acid leaching from human hair
followed by atomic absorption spectrometric determination, J. Anal. At.
Spectrom. 15 (2000) 121 -130.
Bermejo-Barrera, P.; Muniz-Naveiro, O.; Moreda-Pineiro, A.; Bermejo-Barrera,
A.; The multivariate optimization of ultrasonic bath-induced acid leaching for
the determination of trace elements in seafood products by atomic absorption
spectrometry, Anal. Chim. Acta 439 (2001) 211-227.
Bettinelli, M; Beone, G.M.; Spezia, S; Baffi, C.; Determination of heavy metals
in soils and sediments by microwave-assisted digestion and inductively coupled
plasma optical emission spectrometry analysis, Anal. Chim. Acta 424 (2000)
289-296.
Birkin, P.R.; Power, J.F.; Leighton, T.G.; Electrochemical evidence of H* produced
by ultrasound, Chem. Comm. (2001) 2230-2231.
Borges, S.S.; Korn, M.; Geração sonoquímica de oxidantes em solução aquosa
saturada de tetracloreto de carbono, Química Nova 25 (2002) 558-562.
Butler, J.N; Ionic equilibrium: a mathematical approach, Adidison-Wesley
Publishing Company Inc., NY, 1963.
Campaña, A.M.G.; Rodrígues, L.C.; González, A. L.; Barrero, F.A.; Ceba, R.
M.; Sequential response surface methodology for multioptimization in analytical
chemistry with three-variable Doehlert designs, Anal. Chim. Acta 348 (1997)
237-246.
91
Canfranc, E.; Abarca, A.; Sierra, I.; Marina, M..L.; Determination of iron and
molybdenum in a dietetic preparation by flame AAS after ashing, J. Pharm.
Biomed. Anal. 25 (2001) 103-108.
Capelo, J.L.; Maduro, C.; Vilhena, C.; Discussion of parameters associated with
the ultrasonic solid-liquid extraction for elemental analysis (total content) by
electrothermal atomic absorption spectrometry - an overview, Ultrason.
Sonochem. 12 (2005) 225-232.
Carpinteiro,. J.; Rodriguez, I.; Cela, R.; Simultaneous determination of butyltin
and phenyltin species in sediments using ultrasound-assisted leaching, Fresenius.
J. Anal. Chem. 370 (2001) 872-877.
Carvalho, L.R.F.; Souza, S.R.; Martinis, B.S.; Korn, M..; Monitoring of the
ultrasonic irradiation effect on the extraction of airborne particulate matter by ion
chromatography, Anal. Chim. Acta 317 (1995) 171-179.
Cassella, R.J. ; Bitencourt, D.T.; Branco, A.G.; Ferreira, S.L.C; Jesus, D.S;
Carvalho, M.S.; Santelli, R.E.; On-line preconcentration system for flame atomic
absorption spectrometry using unload polyurethane foam: determination of zinc
in waters and biological materials, J. Anal. At. Spectrom. 14 (1999) 1749 - 1753.
Colina, M.;. Gardiner, P.H.E.; Simultaneous determination of total nitrogen,
phosphorus and sulphur by means of microwave digestion and ion
chromatography, J. Cromatogr. A 847 (1999) 285-290.
92
Contamine, R.F.; Wilhem, A.M.; Berlan, J.; Delmas, H.; Power measurement in
sonochemistry, Ultrason. Sonochem. 2 (1995) S43-S47.
Dagnac, T.; Padró, A.; Rubio, R.; Rauret, G.; Optimization of extraction of
arsenic species from mussels with low power focused microwaves by applying a
Doehlert design, Anal. Chim. Acta 364 (1998) 19-30.
Doehlert, D.H.; Uniform shell designs, Appl. Statist. 19 (1970) 231.
Dolan, S.P.; Capar, S.G; Multi-element analysis of food by microwave digestion
and inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry, J. Food Compos.
Anal. 15 (2002) 593 - 615.
Dolan, S.P.; Nortrup, D.A.; Bolger, P.M.; Capar, S.G.; Analysis of dietary
supplements for arsenic, cadmium, mercury, and lead using inductively coupled
plasma mass spectrometry, Agric. Food Chem. 51 (2003) 1307 - 1312.
Ferreira, S.L.C.; Santos, H.C.; Fernandes, M.S.; Carvalho, M.S.; Aplication of
Doehlert matrix and factorial design in optimization of experimental variables
associated with preconcentration and determination of molybdenum in sea-water
y inductively coupled plasma optical emission spectrometry, J. Anal. At.
Spectron 17 (2002) 115-120.
Ferreira, S.L.C.; Santos, W.N.L; Quintella, M.C.; Neto, B.B.; Bosque-Sendra,
J.M.; Doehlert matrix: a chemometric tool for analytical chemistry — review,
Talanta 63 (2004) 1061-1067.
93
Filgueiras, A.V.; Capelo, J.L.; Lavilla, I.; Bendicho, C.; Comparison of
ultrasound-assisted
extraction
and
microwave-assisted
digestion
for
determination of magnesium, manganese and zinc in plant samples by flame
atomic absorption spectrometry, Talanta 53 (2000) 433-441.
Filgueiras, A.V.; Lavilla, I.; Bendicho, C.; Comparison of standard SM&T
sequential extraction method with small-scale ultrasound-assisted single
extractions for metal partitioning in sediments, Anal. Bioanal. Chem. 374 (2002)
103-108.
Flint, E.B.; Suslick, K.S.; Sonoluminescense from alkali-metal salt solutions, J.
Phys. Chem. 95 (1991) 1484-1488.
Flint, E.B; Suslick, K.S.; Sonoluminescence from nonaqueous liquids: emission
from small molecules, J. Am. Chem. Soc. 111 (1989) 6987-6992.
Flint, E.B; Suslick, K.S.; The temperature of cavitation, Science 253 (1991)
1397-1399.
Hight, S.C.; Anderson, D.L.; Cunnigham, W.C.; Capar, S.G.; Lamont, W.H.;
Sinex, S.A.; Analysis of dietary supplements for nutritional, toxic, and other
elements, J. Food Compos. Anal. 6 (1993) 121-139.
Hromádková, Z.; Ebringerová, A.; Ultrasonic extraction of plant materialsinvestigation of hemicellulose release from buckwheat hulls, Ultrason.
Sonochem. 10 (2003) 127-133.
94
Hu, Y.; Massart, D.L.; Uniform shell desing for optimization in reversed-phase
liquid chromatografy, J. Chromatogr. 485 (1989) 311-323.
Ianova, J.; Djingova, R.; Korhammer, S.; Markert, B.; On the microwave
digestion of soils and sediments for determination of lanthanides and some toxic
and essential elements by inductively coupled plasma source mass spectrometry,
Talanta 54 (2001) 567-574.
Jarvis, I.; Totland, M.M.; Jarvis, K.E.; Determination of the platinum-group
elements in geological materials by ICP-MS using microwave digestion, alkali
fusion and cation-exchange chromatography, Chem. Geol. 143 (1997) 27-42.
Korn,
M.;
Aplicações
analíticas
de
ondas
ultrasônicas,
2000,
em
http://www.iqm.unicamp.br/sbq/dqa/ondaultrasom.htm, acesso em fevereiro de
2004.
Korn, M.; Andrade, M.V.A.; Borges, S.S; Sousa, C.S.; Oliveira, F.S.; Reagent
generation assisted by ultrasonic irradiation, J. Braz. Chem. Soc. 14 (2003) 254258.
Kowalewska, Z.; Bulska, E.; Hulanicki, A.; The effect of sample preparation on
metal determination in soil by FAAS, Fres. J. Anal Chem 362 (1998) 125-129.
Krejcova, A.;. Kahoun, D.; Cernohorsky, T.; Pouzar, M.; Determination of
macro and trace element in multivitamins preparations by inductively coupled
plasma optical emission spectrometry with slurry sample introduction, Food
Chem. 98 (2006) 171-178.
95
Krug, F.J.(ed.); Métodos de Decomposição de Amostras, IV Workshop sobre
Preparo de Amostras, Salvador, 2003.
Kubrakova, I.; Microwave-assisted sample preparation and preconcentration for
ETAAS, Spectrochim. Acta Part B 52 (1997) 1469-1481.
Lepoint, T.; Mullie, F.; What exactly is cavitation chemistry? Ultrason.
Sonochem. 1 (1994) S13-S22.
Luque-García, J.L.; Castro, M.D.L.; Ultrasound: a powerful tool for leaching,
Trends Anal. Chem. 22 (2003) 41-47.
Marín, A.; López-Gonzálvez, A.; Barbas, C.; Development and validation of
extraction methods for determination of zinc and arsenic speciation in soils using
focused ultrasound. Application to heavy metal study in mud and soils, Anal.
Chim. Acta 442 (2001) 305-318.
Martines, M.A.U.; Davolos, M.R.; Júnior, M.J.; O efeito do ultra-som em
reações químicas, Química Nova 23 (2000) 251-256.
Mason, T.J.; Lorimer, J.P.; Bates, D.M.; Quantifying sonochemistry: casting
some light on a 'black art', Ultrasonics 30 (1992) 40-42.
Mason, T.J.; Lorimer, J.P., Sonochemistry: theory, applications and uses of
ultrasound in chemistry, Ellis Horwood Limited, Chichester, UK, 1988.
96
Medved, J.; Stresko, V.; Kubová, J.; Polakovicová, J., Efficient of
decomposition procedures for determination of some elements in soils by atomic
spectroscopic methods, Fres. J. Anal Chem 360 (1998) 219-224.
Millen, A.E;. Dodd, K.W.; Subar, A.F.; Use of vitamin, mineral, nonvitamin,
and nonmineral supplements in United States: the 1987, 1992, 200 National
health interview survey results, J. Amer. Diet. Assoc. 104 (2004) 942 - 950.
Nascentes, C.C.; Korn, M.; Arruda, M.A.Z.; A fast ultrasound-assisted extraction
of Ca, Mg, Mn and Zn from vegetables, Microchem. J. 69 (2001) 37-43.
Nascentes, C.C.; Korn, M; Sousa, C.S.; Arruda, M.A.Z.; Use of ultrasonic baths
for analytical applications: a new approach for optimization conditions, J. Braz.
Chem. Soc. 12 (2001) 57-63.
Nechar, M.; Molina; M.F.M.; Rodriguez, C.; Seandra, J.M.N.; The application of
Doehlert designs in the optimization of experimental variables in solid phase
spectrophotometry, Anal. Chim. Acta 316 (1995) 185-193.
Oliveira, E; Sample preparation for atomic spectroscopy: evolution and future
trends, J. Braz. Chem. Soc. 14 (2003) 174-182.
Palma, M.; Barroso, C.G.; Ultrasound-assisted extraction and determination of
tartaric and malic acids from grapes and winemaking by-products, Anal. Chim.
Acta 458 (2002) 119-130.
97
Pereira Netto, A.D.; Krauss, T.M.; Cunha, I.F.; Rego, E.C.P.; Seasonal
variations of polycyclic aromatic hydrocarbons levels in street dust of Niterói
City, RJ, Brazil. Water Air and Soil Pollution, (2006) no prelo.
Pereira Netto, A.D.; Barreto, R.P.; Moreira, J.C.; Arbilla, G.; Polycyclic
aromatic hydrocarbons in total suspended particulate of Niterói, RJ, Brazil: a
comparison of summer and winter samples, Bull. Environ. Contam. Toxicol. 69
(2002) 173.
Pérez-Cid, B.; Lavilla, I.; Bendicho, C.; Speeding up of a three-stage sequential
extraction method for metal speciation using focused ultrasound, Anal. Chim.
Acta 360 (1998) 35-41.
Pérez-Cid. B.; Lavilla, I.; Bendicho, C.; Comparison between conventional and
ultrasound accelerated Tessier sequential extraction schemes for metal
fractionation in sewage sludge, Fres. J. Anal. Chem. 363 (1999) 667-672.
Pino, V.; Ayla, J.H.; Afonso, A.M.; González, V.; Ultrasonic micellar extraction
of polycyclic aromatic hydrocarbons from marine sediments, Talanta 54 (2001)
15-23.
Richard, W.T.; Loomis, A.L.; The chemical effects of high frequency sound
waves I. a preliminary survey, J. Am. Chem. Soc. 49 (1927) 3086-3100.
Rocha, F.R.P.; Martinelli, P.B.; Reis, B.F., A multicommutation-based flow
system for multi-elemenet analysis in pharmaceutical preparations, Talanta 55
(2001a) 861 - 869.
98
Rocha, F.R.P.; Reis, B.F.; Rohwedder, J.J.R.; Fres. J. Anal. Chem. 370 (2001b)
22–27.
Ruiz-Jiménez, J.; Luque-García, J.L.; Castro, M.D.L.; Dynamic ultrasoundassisted extraction of cadmium and lead from plants prior to electrothermal
atomic absorption spectrometry, Anal. Chim. Acta 480 (2003) 231-237.
Santelli, R.E.; Cassella, R.J.; Arruda, M.A.Z.; Nóbrega, J.A.; Modern strategies
for environmental sample preparation and analysis, p 37-68; em: Lacerda, L.D.;
Santelli, R.E.; Duursma, E.K.; Abrão, J.J.; Environmental geochemistry in
tropical and subtropical environments, Springer-Verlag, Heidelberg, Alemanha,
2004.
Santelli, R.E.; Bezerra, M.A.; SantAna, O.D.; Cassella, R.J.; Ferreira, S.L.C.;
Multivariate technique for optimization of digestion procedure by focusssed
microwave system for determination of Mn, Zn and Fe in food samples using
FAAS, Talanta 68 (2006) 1083-1068.
Sastre, J.; Sahuquillo, A.; Vidal, M.; Rauret, G.; Determination of Cd, Cu, Pb
and Zn in environmental samples: microwave-assisted total digestion versus
aqua regia and nitric acid extraction, Anal. Chim. Acta 462 (2002) 59-72.
Skoog, D.A.; West, D.M.; Holler, F.J.; Fundamentals of Analytical Chemistry,
7th ed., Saunders College Publishing, New York, 1996.
Soltyk, K.; Losak, A.; Ostapczuk, P.; Fijalek, Z., Determination of chromium
and selected elements in multimineral and multivitamin preparations and in
pharmaceutical raw material, J. Pharm. Biomed. Anal. 32 (2003) 425 - 432.
99
Sousa, C.S.; Determinação espectrofotométrica de níquel em sistemas de
análises em fluxo sob a ação das ondas ultra-sônicas, Dissertação de Mestrado,
Instituto de Química da Universidade Federal da Bahia, Salvador, 1999.
Suslick, K. S.; Applications of ultrasound to materials chemistry, MRS Bulletin,
April (1995) 29-34.
Suslick, K.S.; Didenko, Y.; Fang, M.M.; Hyeon, T.; Kolberg, K.J.; Macnamara
III, W.B.; Mdleleni, M.M.; Wong, M.; Acoustic cavitation and its chemical
consequences, Philos. Trans. Royal Soc. London A 357 (1999) 335-353.
Suslick, K.S.; Doktycz, S.J.; The sonochemistry of Zn powder, J. Am. Chem.
Soc. 111 (1989) 2342-2344.
Suslick, K.S.; Mdleleni, M.M.; Ries, J.T.; Chemistry induced by hydrodynamic
cavitation, J. Am. Chem. Soc. 119 (1997) 9303-9304.
Suslick, K.S.; Sonochemistry; Kirk-Othmer Encyclodpedia of Chemical
Technology, Fourth Edition, vol. 26, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1998.
Suslick, K.S.; The chemical effects of ultrasound, Science American 2 (1989)
80-86.
Tessier, A.; Campbell, P.G.C.; Bisson, M.; Sequential extraction procedure for
the speciation of particulate trace metals, Anal. Chem. 51 (1979) 844-851.
100
Watkins, R.T.; Ridley, M.K.; Pougnet, M.A.B.; Willis, J.P.; Determination of
rare-earth elements in coal using microwave digestion and gradient in
chromatography, Chem. Geol. 121 (1995) 273-283.
Wen, X.; Wu, L.; Zhang, Y.; Chu, Y.; Optimized microwave preparation
procedure for the elemental analysis of aquatic sediment, Fres. J. Anal Chem 357
(1997) 1111-1115.
Zehr, B.D.; Vankuren, J.P.; McMahon H.M.; Inorganic microwave digestions
incorporating bases, Anal. Chem. 66 (1994) 2194-2196.
101