Determinação de Gases de Efeito Estufa com Sistema
Automático de Injeção e Forno Auxiliar acoplado
Autores: Cristiane de Oliveira Silva, Henrique Franciscato Melo e Danilo Vinicius Pierone
Nova Analítica, São Paulo, SP, Brasil
Palavras-chave: Gases de efeito estufa, automação, forno auxiliar, cromatografia gás-sólido.
Resumo
Um sistema de cromatografia a gás dedicado
à determinação de gases de efeito estufa foi
otimizado
para
proporcionar
maior
produtividade e amostragem direta dos vials
utilizados na coleta de ar em campo. A
adaptação de um injetor automático às
necessidades específicas desta aplicação e o
ajuste das condições cromatográficas ideais
permitiram uma redução de cerca de 30% no
tempo de análise. A confiabilidade dos
resultados obtidos com este sistema
cromatográfico foi comprovada por uma boa
repetitividade de área, linearidade, eficiência
de separação e baixos limites de detecção e
quantificação.
TRACE 1310 GC conectado ao
Forno Auxiliar.
Introdução
Gases de efeito estufa (GEE) são
componentes-traço da atmosfera que
absorvem parte da radiação infravermelha
emitida pela superfície terrestre e por isso
impedem uma perda demasiada de calor para
o espaço e mantêm a Terra aquecida. O
aumento das concentrações dos GEE causa a
intensificação do efeito estufa natural e
resulta no aumento progressivo da
temperatura média na Terra1.
Pesquisas
desenvolvidas
pelo
Painel
Intergovernamental sobre Mudança do Clima
(IPCC, 1995) indicam, inequivocamente, o
aumento do efeito estufa na atmosfera
terrestre2. Em 1997, o Protocolo de Quioto
estabeleceu compromissos de redução ou
limitação de emissões de GEE a serem
cumpridos pelos países industrializados entre
2008 e 2012. O prazo para o cumprimento
desses compromissos foi estendido por mais
cinco a oito anos, na Conferência de Durban,
África do Sul, em 20113. Na COP 194,
realizada em Varsóvia (PL) em novembro de
2013, foi definido que um novo acordo
global de redução de emissões terá que ser
aprovado até o primeiro trimestre de 2015. O
Brasil, apesar de não ter metas quantificadas
a cumprir, por estar incluído no grupo de
países em desenvolvimento, instituiu a
Política Nacional sobre Mudança do Clima,
que define um compromisso nacional
voluntário de redução de suas emissões de
GEE5.
Os GEE considerados nas estimativas de
emissões são: dióxido de carbono ou gás
carbônico (CO2), óxido nitroso (N2O),
metano (CH4), hidrofluorocarbonetos (HFC),
perfluorocarbonetos (PFC) e o hexafluoreto
de enxofre (SF6)6.
As variações de concentração dos GEE na
atmosfera são usualmente determinadas por
cromatografia a gás e empregadas no cálculo
das taxas de emissão ou absorção. Devido às
suas propriedades físico-químicas diferentes,
os GEE são analisados com o emprego de
detectores cromatográficos distintos. O CH4 e
o CO2 convertido a CH4 são usualmente
determinados com o detector de ionização em
chama (FID) e o N2O e os flúor derivados
com o detector de captura de elétrons (ECD).
Embora a cromatografia em fase gasosa seja
altamente confiável e adequada para a
separação, detecção e quantificação dos
GEE, esta técnica impõe limitações quanto
1
ao número de amostras que podem ser
analisadas em um curto período de tempo7.
Este trabalho apresenta um sistema
cromatográfico automático desenvolvido
especificamente para a determinação de GEE
em amostras de ar, capaz de reduzir o tempo
de determinação de CH4, CO2, N2O e SF6
para até 8 min, com capacidade para analisar
grandes lotes de amostras de modo
autônomo. Este sistema é composto por um
amostrador automático compatível com os
vials empregados para a coleta de amostras
de ar (vials LABCO de 12 mL) e por um
conjunto de válvulas de acionamento
programado e automático. Além dos
detectores FID e ECD, um detector TCD
pode ser montado em série com o FID, para
determinação do oxigênio e nitrogênio do ar.
Esta configuração do cromatógrafo com três
detectores desenvolvida pela Thermo
Scientific possibilita a análise completa de
uma amostra com apenas uma injeção.
Parte Experimental
internas são 328×200×205 mm e externas
45×31×67 cm.
 Amostrador automático Triplus RSH
(Thermo Scientific) para a injeção de
amostras líquidas ou gasosas em vials de até
20 ml. Neste trabalho o TriPlus RSH foi
adaptado para injetar gases contidos em vial
LABCO de 12 ml, diretamente no
cromatógrafo.
O TriPlus RSH é compatível com todos os
vials LABCO.
 Sistema de tratamento de
Chromeleon 7 (Thermo Scientific).
dados
Instrumentação
Configuração do Sistema
Cromatográfico
 Cromatógrafo a gás TRACE 1300 Series
GC (Thermo Scientific) disponível em dois
modelos: TRACE 1300, controlado por
software, e TRACE 1310, controlado por
software ou diretamente em uma tela touch
screen. Ambos os modelos podem ser
empregados na determinação de GEE
descrita neste trabalho. O injetor SSL
convencional foi substituído por uma porta
de injeção com septo e uma válvula
empregada para purgar os loops com gás
hélio. A purga dos loops evita
contaminação cruzada (carryover) e é
exclusiva no TRACE 1300 Series GC
dedicado à determinação de GEE.
 Forno auxiliar (Thermo Scientific)
acoplado ao cromatógrafo para expandir a
configuração do sistema cromatográfico
com a inclusão de um terceiro detector e de
colunas e válvulas. Este forno opera em
isoterma de até 300 °C. Suas dimensões
O TRACE 1300 Series GC dedicado à
determinação de GEE é configurado com
dois canais de separação e detecção [Figura
1-(a) e -(b)]. Cada canal é composto por:
loop de amostragem de volume 1 mL; précoluna Hayesep T® (Restek) de 80/100 mesh,
1 m x 1/8”; válvula Valco de 10 vias e
colunas analíticas. No canal (a) a coluna
analítica é Hayesep Q® (Restek), 80/100
mesh, 2 m x 1/8”, para separação do CH4 e
CO2. Após a coluna analítica, o canal (a)
contém um metanador (Thermo Scientific) e
um FID. No canal (b) a coluna analítica é
Hayesep D® (Restek), 80/100 mesh, 2 m x
1/8”, para separação do N2O e SF6. Após a
coluna analítica, o canal (b) contém uma
válvula Valco de quatro vias e um microECD
(µECD). Todas as válvulas deste sistema e as
duas pré-colunas são instaladas em um forno
auxiliar conectado ao cromatógrafo.
2
3
Figura 1. Esquema da configuração do TRACE 1300 Series GC para a análise de CO2,
CH4, N2O e SF6. Etapa 1: carregamento da amostra no loop; Etapa 2: transferência da
amostra para a pré-coluna. EPC: controlador de pressão.
A configuração do TRACE 1300 Series GC
pode ser ampliada com a inclusão do detector
TCD no canal (a), para a determinação de O2
e N2 do ar. Essa ampliação inclui a
substituição da coluna analítica Hayesep Q®
de 2 m para uma coluna igual, porém com 4 m
e a inclusão de uma coluna empacotada com
peneira molecular 5A de 1 m x 1/8” e uma
válvula Valco de seis vias, seguida do TCD
instalado antes do metanador e do FID
(Figura 2-a).
Figura 2. Esquema da configuração do TRACE 1300 Series GC para a análise de CH4, N2O, SF6
e de altas concentrações de CO2, O2 e N2. PM: peneira molecular.
Princípio da operação
Com as válvulas V1 e V2 da Figura 1 na
posição de carregamento dos loops (Etapa 1),
a amostra de ar é introduzida no sistema pelo
amostrador automático TriPlus RSH com
uma seringa gas tight.
Quando as válvulas V1 e V2 (Fig.1) são
acionadas, as alíquotas de amostra contidas
em cada loop são varridas simultaneamente
para dentro das pré-colunas (Etapa 2).
Após um determinado intervalo de tempo, as
válvulas de 10 vias são acionadas novamente
e o fluxo de gás nas pré-colunas é invertido
(backflush), varrendo para fora do sistema o
vapor d’água e outros componentes da
amostra ainda presentes nas pré-colunas.
As frações da amostra que eluiram das précolunas antes do backflush são arrastadas
para dentro das colunas analíticas onde os
GEE serão separados. Na coluna analítica do
canal (a) o CH4 é separado do CO2, sendo
este último convertido a CH4 no metanador.
O FID detecta o CH4 originalmente presente
na amostra e o CH4 produto da metanação do
CO2 como dois picos com tempos de
retenção diferentes. No canal (b), a válvula
de quatro vias V3 é acionada na Etapa 2,
juntamente com as válvulas V1 e V2,
enviando para o vent o oxigênio do ar. A
expulsão do O2 tem a finalidade de evitar sua
interferência no sinal analítico e proteger o
foil radiativo do ECD da oxidação. Em
seguida, a posição da válvula V3 é invertida,
permitindo que o N2O e o SF6, separados na
coluna analítica, cheguem ao ECD.
O acionamento das válvulas é automático e
controlado pelo software através de uma
tabela de eventos definida no método
analítico.
Quando um TCD é configurado em série com
o FID (Figura 2-a), o O2 e o N2 do ar são
separados na coluna 5A e detectados no
TCD. Em seguida, a válvula V4 é invertida e
a fração da amostra que contém CO2 e CH4
elui diretamente ao detector TCD sem passar
pela coluna com peneira molecular. O CO2
gera sinal nos dois detectores (FID e TCD).
Se a concentração de CO2 na amostra é
baixa, sua quantificação é feita pelo sinal do
4
FID, detector mais sensível que o TCD,
porém se a concentração de CO2 supera a
faixa de linearidade do FID, sua
quantificação é feita pelo sinal do TCD.
Amostra e padrões
Quatro misturas gasosas de concentrações
diferentes e conhecidas de padrões de CO2,
CH4, N2O e SF6 em hélio (Tabela 1),
preparadas pela White Martins e fornecidas
pela Embrapa São Carlos foram analisadas
para construção de curvas analíticas.
Tabela 1. Concentrações dos GEE padrões
em quatro misturas analisadas.
1
2
3
4
CO2 (ppm) 252,7 502,2 1027 1998
CH4 (ppm) 0,514 1,027 3,150 5,117
N2O (ppb) 253,7
SF6 (ppt)
34
n.c.: não contém
506,2
100
1000
1009
2096
n.c.
Uma amostra de gases ruminais de gado
bovino foi analisada pelo método de
padronização externa.
Desenvolvimento de método
Diferentes polímeros porosos foram testados
como fases estacionárias (FE) nas précolunas e colunas analíticas. A FE Hayesep
T® (dimetacrilato de etilenoglicol), a mais
polar entre as FEs da série Hayesep,
empregada na pré-coluna, foi a mais eficiente
na retenção da água e dos componentes da
amostra com maior polaridade e massa
molecular em relação aos analitos. As FEs
Hayesep D® e Hayesep Q®, ambas
divinilbenzeno, foram as mais eficientes na
separação de N2O e SF6, e de CH4 e CO2
respectivamente.
Os tempos de acionamento das válvulas, a
vazão do gás de arraste He e as temperaturas
do forno do cromatógrafo e do forno auxiliar
foram otimizados até a obtenção da melhor
separação entre os analitos.
O injetor automático TriPlus RSH foi
adaptado para operar com bandeja (rack)
compatível com vials LABCO de 12 mL,
através de uma customização do software.
Esta adaptação possibilitou a automação
completa da determinação de GEE e a
redução do tempo de análise. O TriPlus RSH
apresenta grande capacidade de amostras e
permite análises ininterruptas durante finais
de semana, o que favorece a análise de
bateladas de muitas amostras sem o
acompanhamento de um analista.
Condições Cromatográficas
Os parâmetros cromatográficos foram
otimizados para o sistema da Figura 1. As
condições cromatográficas definidas e
empregadas nas análises de CH4, CO2, N2O e
SF6 estão apresentadas na Tabela 2.
Tabela 2. Condições Cromatográficas
empregadas nas determinações de GEE.
Purga dos loops: 20 mL/min de He por 12 s
Temperatura do forno principal: 50°C
Temperatura do forno auxiliar: 50°C isoterma
Gás de arraste: hélio, vazão: 18 ml/min
Temperatura Vazão de gases
Detector
(mL/min)
(⁰C)
350 (ar sintético) /
FID
250
25 (H2) / 12 (N2
make up)
µECD
350
30 (N2 make up)*
TCD
110
1,0 (N2 make up)
* O µECD da Thermo Scientific emprega N2 grau
ECD como gás de make up ao invés da mistura
argônio-metano usualmente empregada para esta
aplicação em ECDs de outros fabricantes. O uso
do N2 diminui o custo de análise, elimina a
dificuldade da aquisição de gases especiais, ao
mesmo tempo em que mantém a máxima
sensibilidade.
Resultados obtidos
As misturas de GEE padrões foram
analisadas em triplicata e os cromatogramas
obtidos foram empregados para a avaliação
de alguns parâmetros de validação do sistema
cromatográfico, como a repetitividade,
linearidade e limites de detecção e
quantificação. A Figura 3 apresenta dois
cromatogramas típicos de uma mistura dos
GEE CH4, CO2, N2O, SF6 analisados.
5
Figura 3. Cromatogramas de uma mistura de padrões analisada no TRACE 1300 Series GC
configurado como na Figura 1: (a) picos detectados pelo FID para o CH4 presente na mistura e
para o CH4 resultante da metanação do CO2; (b) picos de N2O e SF6 detectados pelo ECD.
Repetitividade
A repetitividade foi avaliada através do
desvio padrão relativo (RSD) da média das
áreas dos picos8 dos padrões de GEE
analisados. Os baixos valores de RSD
obtidos (Tabela 3) indicam excelente
repetitividade.
6
Tabela 3. Desvios padrão relativos (DPR) das médias das áreas dos picos dos GEE padrões
analisados.
Média das áreas
GEE
Concentração
Desvio padrão
DPR %
(n=3)
CO2
252,7 ppm
22,696
0,1738
0,8
CH4
1,027 ppm
0,092
0,0008
0,8
N2O
506,2 ppb
0,019
0,00016
0,8
SF6
34 ppt
0,014
0,0002
1,4
Linearidade
A linearidade foi observada pelas curvas
analíticas apresentadas na Figura 4 e
verificada a partir da equação da regressão
linear8. Os valores dos coeficientes de
correlação (r) superiores a 0,99 indicam a boa
correlação linear alcançada entre as áreas de
pico medidas e as concentrações de GEE
determinadas com os detectores FID e ECD.
CH4 r = 0,9990
Concentração
(ppm)
Média das
áreas (n=3)
0,514
0,070
1,027
0,123
3,150
0,332
5,117
0,525
CO2 r = 0,9996
Concentração
(ppm)
Média das
áreas (n=3)
252,7
22,696
502,2
54,453
1027
103,725
1998
197,388
N2O r = 0,9979
Concentração
(ppb)
Média das
áreas (n=3)
253,7
506,2
0,004
0,007
1000
0,013
2096
0,025
SF6 r = 0,9997
Concentração
(ppt)
Média das
áreas (n=3)
34
0,014
100
0,022
1009
0,206
Figura 4: Curvas analíticas para CH4, CO2, N2O, SF6 e respectivos coeficientes de
correlação linear (r).
7
Limites de Detecção e Quantificação
Os limites de detecção (LD) do método
analítico desenvolvido foram determinados
em cromatogramas sucessivos de misturas de
padrões dos GEE com concentrações
decrescentes. As menores concentrações que
geraram sinais analíticos foram consideradas
como sendo os LD. Os limites de
quantificação (LQ) foram calculados
considerando a relação 10:1, isto é,
10LQ:1LD. Os valores de LD e LQ
determinados estão apresentados na Tabela 4
e Figuras 5 e 6.
Tabela 4 - Limites de detecção (LD) e
quantificação (LQ) do método analítico
GEE
LD
LQ
CO2 (FID)
7,432 ppm
74,32 ppm
CH4
0,056 ppm
0,56 ppm
N2O
32,76 ppb
327,6 ppb
SF6
4,35 ppt
43,5 ppt
8
Figura 5. Cromatogramas de misturas de padrões de GEE em baixas concentrações:
(a) 32,76 ppb de N2O detectado no ECD; (b) 0,056 ppm de CH4 e 7,432 ppm de
CO2 detectados no FID acoplado a um metanador.
Figura 6. Cromatogramas de misturas de padrões com baixas concentrações de SF6:
(a) 100 ppt (b) 4,35 ppt.
Análise de Amostra
Na Figura 7 estão apresentados dois
cromatogramas de uma amostra de gases
ruminais e na Tabela 5 as concentrações
quantificadas pelo método de padronização
externa nesta amostra para N2O, CH4 e CO2.
Figura 7. Cromatogramas de uma amostra de gases ruminais. À esquerda pico de N2O
detectado pelo ECD. À direita picos de CH4 e CO2 detectados pelo FID.
Tabela 5 – Tempo de retenção, área, altura, área relativa, altura relativa e concentração de
N2O, CH4 e CO2 em amostra de gases ruminais.
ECD
TR
Área
Altura Área Relativa Altura Relativa Concentração
min
kHz*min
kHz
%
%
N2O
4,50
0,014
0,090
100,00
100,00
337,4 ppb
FID
CH4
CO2
1,25
2,96
0,242
79,722
2,044
187,742
Conclusão
Os bons resultados obtidos para a
repetitividade de área, linearidade, eficiência
de separação entre os analitos, limites de
detecção e quantificação comprovam que o
TRACE 1300 Series GC, na configuração
apresentada neste trabalho, é um sistema
perfeitamente adequado para a análise de
gases de efeito estufa.
0,30
99,70
1,08
98,92
2,82 ppm
981,1 ppm
Referências
1. Thilo Kunzemann.
http://sustentabilidade.allianz.com.br/clim
a/ciencia/?126/aquecimento-global-efeitoestufa (acessado em 13/12/2013).
2. Eletrobras. DEA. DEAA. Emissões de
dióxido de carbono e de metano pelos
reservatórios hidrelétricos brasileiros:
relatório final coordenado por Luiz
Pinguelli Rosa. Rio de Janeiro, 2000.
3. Fabrício Marques. A Plataforma de
Durban. Revista Pesquisa FAPESP
Edição 191, janeiro 2012, pag. 38.
9
4. 19ª Conferência das Partes da ConvençãoQuadro das Nações Unidas sobre
Mudança do Clima. Revista Meio
Ambiente Industrial, Ano XVII, Edição
106, Nov/Dez 2013, pág. 96.
8. DOQ- Coordenação Geral de Acreditação
do Inmetro CGCRE-008. Orientação
sobre validação de métodos analíticos.
Revisão 04 – JUL/2011.
5. Estimativas anuais de emissões de gases
de efeito estufa no Brasil. Ministério da
Ciência, Tecnologia e Inovação.
Coordenação Geral de Mudanças Globais
de Clima. 2013 (http://www.mct.gov.br/)
(acessado em 13/12/2013).
Agradecimentos
6. Grupo Interdisciplinar de Pesquisa Sobre
Mudanças Climáticas Globais.
http://www.cpa.unicamp.br/alcscens/abc.p
hp?idAbc=18 (acessado em 13/12/2013).
7. Nicoloso, R. S., et al. Gas
chromatography and photoacoustic
spectroscopy for the assessment of soil
greenhouse gases emissions. Ciência
Rural, 43 (2), p. 262-269, fev. 2013.
Os autores agradecem ao Prof. Dr. Paulo
Henrique
Mazza
Rodrigues,
do
Departamento de Nutrição e Produção
Animal da Universidade de São Paulo,
Pirassununga, SP, pela contribuição ao
aperfeiçoamento da configuração do sistema
cromatográfico, à Embrapa São Carlos, SP,
pela doação das misturas de padrões de GEE
e a Silvana Odete Pisani, da Nova Analítica,
pela revisão da redação deste texto.
Hayesep é marca registrada da Restek Co. Todas as
outras marcas são de propriedade da Thermo Fisher
Scientific e de suas subsidiárias, a menos que indicado
em contrário.
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