DETERMINAÇÃO ESPECTROMETRICA DE Mg2+ EM BIODIESEL UTILIZANDO SIMPLES TRATAMENTO DE AMOSTRA

ISBN 978-85-85905-19-4

Área

Química Analítica

Autores

Santos, W.A. (UFMA/IFMA) ; Menezes, L.C. (IFMA) ; Leonardo, A.C.A. (UFMA) ; Sousa, J.K.C. (UFMA) ; Viégas, H.D.C. (UFMA) ; Melo, S.M. (UFMA) ; Marques, E.P. (UFMA) ; Marques, A.L.B. (UFMA)

Resumo

Trata-se de método alternativo simples de preparação de amostras para determinação de magnésio (Mg) em biodiesel por Espectrometria de Absorção Atômica com Chama (FAAS) sem ajuste de viscosidade. Curvas analíticas construídas no intervalo de 0,0-1,0 mg L-1, utilizando os meios álcool-ácido e biodiesel/álcool-ácido. A preparação da amostra consistiu na dissolução de 1 g de biodiesel + 100 µL de HNO3 concentrado, completando com etanol/propanol (10 mL), obteve-se coeficientes de correlação (R) > 0,99 e desvios- padrão relativos (DPR) < 20%. Os métodos foram comparados com o teste F e t de Student (95% de confiança), sendo estatisticamente concordantes. Os limites de detecção (LOD) e quantificação (LOQ) foram de 1,2 a 10-3 e 4,1 a 10-3 mg L-1, respectivamente, indicando a viabilidade do método

Palavras chaves

Magnésio; FAAS; Etanol/propanol

Introdução

O esgotamento esperado dos combustíveis fósseis com o aumento do consumo de energia e emissões dos gases de efeito estufa têm levado à procura de fontes de energias alternativas, renováveis, sustentáveis, eficientes e de baixo custo (SINGH et al., 2010; PRASAD et al., 2007). Entre essas fontes alternativas os biocombustíveis, o hidrogênio, o gás natural e o gás de síntese estão entre as fontes favoráveis à proteção do meio ambiente. Entretanto, dentre as quatros, os biocombustíveis são as fontes de energia mais favoráveis ao meio ambiente (NIGAM; SINGH, 2011). O biodiesel é comumente definido como um combustível biodegradável, não tóxico e produzido a partir de fontes naturais e renováveis, capaz de substituir, diretamente ou parcialmente, o óleo diesel fóssil nos motores a ciclo diesel. Também, o biodiesel como qualquer outro combustível comercializado é regido por um sistema rigoroso de controle de qualidade que inclui a determinação de várias espécies metálicas. Já a definição estabelecida pela Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustível (ANP), através da Resolução n° 45 de 26/08/2014 é: “combustível composto de alquil ésteres de ácidos carboxílicos de cadeia longa, produzido a partir da transesterificação e/ou esterificação de matérias graxas, de gorduras de origem vegetal ou animal [...]” (BRASIL, 2014a, p.2). Além disso, é menos poluente do que os combustíveis derivados do petróleo, reduz emissões de gases causadores do aquecimento global e as emissões nos escapamentos dos automóveis, incluindo gases tóxicos (DEMIRBRAS, 2008; PINTO et al., 2005). A mistura de biodiesel em motores a diesel é feita em proporções baixa ou altas. Quando a proporção é baixa, não há alterações técnicas feitas no motor, enquanto em alta o motor é preparado com algumas mudanças para usar o biodiesel (UGURLU; OZTUNA, 2015). Este biocombustível pode ser utilizado puro ou com diferentes proporções com o diesel de petróleo, isto é, a mistura pode conter proporções definidas de biodiesel. Essa mistura de biodiesel/diesel é designada como “BX”, onde (X%) refere-se à a porcentagem em volume do biodiesel adicionado ao diesel, e segue o seguinte padrão B2, B5, B6, B7 e B20 (mistura de 2%, 5%, 6%, 7% e 20% de biodiesel ao diesel de petróleo) até o B100 (biodiesel puro). Atualmente, o governo brasileiro através da lei n° 13.033, de 24 de setembro de 2014 estabeleceu obrigatoriamente a partir de 1o de novembro de 2014 em todo território nacional a mudança de 6% para um percentual de 7 % de biodiesel ao óleo diesel (BRASIL, 2104b). Contudo, o Conselho Nacional de Política Energética - CNPE poderá reduzir esse valor percentual a qualquer tempo, por motivo justificado de interesse público, restabelecendo e normalizando as condições que motivaram a redução do percentual (BRASIL, 2014b). A adição progressiva de biodiesel ao óleo diesel ou a substituição por completo do diesel por biodiesel gera uma diminuição significativa das emissões de gases poluentes para a atmosfera (SILVA; FREITAS, 2008; BARNWAL; SHARMA, 2005). Por exemplo, o uso do biodiesel nos veículos, nas composições B7 e B20 (7% e 20 % de biodiesel no diesel fóssil) ou progressivamente representa uma queda expressiva das emissões de óxido de enxofre (SOx), aromáticos policondensados, monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO2), além disso a redução dessa emissões resultaria na diminuição das internações hospitalares, mortalidades e incidência de doenças (BIODIESEL EM FOCO, 2015; BRASIL, 2014c) causadas pela poluição atmosférica (tais como, câncer de pulmões, cardiocebrovasculares e irritações nos olhos, nariz, pele e aparelho respiratório) (INSTITUTO SAÚDE E SUSTENBILIDADE, 2015; NASCIMENTO et al., 2006, RODRIGUES et al., 2015; SALDIVA et al., 1995). Portanto, descarbonizar os veículos através do uso do biodiesel é uma questão de saúde pública. Apesar dos aspectos positivos, o biodiesel apresenta alguns inconvenientes como a formação de resíduos na sua produção, custos elevados de produção, aumento de óxido de nitrogênio (NOX), formação de sabão na presença de metais (Ca, Mg, Na, K) no produto final, possível competição entre o biodiesel e os alimentos (NIGAM; SINGH, 2011), entres outros. A comercialização do biodiesel é considerada um assunto dos mais relevantes e depende de um rigoroso controle da qualidade referente a presença dos contaminantes no produto final, entre eles os metais. Por outro lado, por ser uma matriz complexa, o pré-tratamento da amostra é um dos aspectos mais importantes para que se obtenha um resultado analítico confiável. O presente trabalho tem como foco o tratamento de amostras de biodiesel para a determinação de magnésio, um dos metais avaliados como parâmetro de qualidade do biodiesel, por Espectrometria de Absorção Atômica com Chama (FAAS).

Material e métodos

Os reagentes usados no preparo das soluções foram de pureza analítica. A água utilizada foi destilada e deionizada a uma resistividade 18,2 MΩ cm em um sistema de purificação (Thermo Scientic, Barnstead, Dubuque, EUA). O procedimento realizado para sintetizar o biodiesel foi executado conforme descrito por Ghisi (2011a). As amostras de biodiesel foram produzidas a partir de diversas matérias-primas (óleo de babaçu, soja e canola) adquiridas no comércio local. Foi utilizada uma massa de aproximadamente 400 g de óleo vegetal. Para cada 100 g do óleo, foram utilizados 35 mL de metanol e 1,5 g do catalisador KOH. A produção do biodiesel foi feita no Laboratório de Pesquisa em Química Analítica (LPQA) na Universidade Federal do Maranhão. As soluções padrões foram preparadas seguindo os passos descritos na literatura (CHAVES et al., 2011, BARROS et al., 2012; MAGALHÃES et al., 2014; QUADROS et al., 2011). Em resumo, as curvas analíticas foram preparadas por soluções estoque a partir do padrão aquoso de Mg mais uma 1g biodiesel e aferidas para 10 mL com álcool (propanol ou etanol) acidificados. As faixas das curvas analíticas foram preparadas no intervalo de concentração entre 0,0-1,0 mg L-1, utilizando o meio alcoólico-ácido, biodiesel/etanol e biodiesel/propanol. A preparação das amostras consistiu na pesagem de aproximadamente 1 g de biodiesel em balões volumétricos de 10 mL, seguidos pela adição de 5 mL de álcool (propanol ou etanol) e 100 µL de HNO3 concentrado, de maneira a proporcionar a estabilidade do metal. Em seguida os balões foram completados com álcool (propanol ou etanol), resultando assim numa concentração final de 0,14 mol L-1. As medidas de absorbância para determinação de Mg foram feitas usando um Espectrofotômetro de Absorção Atômica com Chama (FAAS) de marca SHIMADZU modelo AA- 7000. Foi utilizada como fonte de radiação uma lâmpada de cátodo oco de magnésio (Hamamatsu Photonics K.K, Japão). Os parâmetros instrumentais utilizados nas medidas foram de acordo com os recomendados pelo instrumento (Comprimento de onda de 285,2 nm; Largura da fenda de 0,7 nm; Corrente da lâmpada de 8,,0 mA; Fluxo de ar- C2H2 de 1,8 L min-1; Taxa de aspiração de 6,0 mL min-1 e Corretor de Fundo, lâmpada de deutério-D2, ligado). O tempo de integração utilizado nas medidas foi de 5 segundos e as medidas foram realizadas em triplicata.

Resultado e discussão

Primeiramente, avaliou-se a estabilidade da solução padrão inorgânica de Mg no meio biodiesel/álcool-ácido durante três dias, apresentando uma boa estabilidade. Também, dois tipos de curvas de calibração externas foram avaliados: na presença e na ausência de biodiesel, assim como, parâmetros de validação e testes estatísticos. As curvas analíticas, para etanol e propanol foram obtidas nas mesmas condições, na ausência de biodiesel, para avaliação da viabilidade do método quanto a resposta do sistema para Mg no meio álcool/ácido. As soluções padrão do Mg foram preparadas em meio alcóolico (etanol/propanol) contendo HNO3 (0,14 mol L-1), sendo aferidas para um volume total de 10 mL. Na Tabela 1 estão os dados referentes à precisão das medidas (n=3) das absorbâncias para os diferentes pontos da curva analítica. INSERIR TABELA 1 Pelos resultados apresentados na Tabela 1, observa-se uma boa faixa de precisão para os diferentes pontos das curvas analítica, medidas através dos coeficientes de variação, comprovando a boa performance dos procedimentos analíticos avaliados. Por outro lado, através destes dados permitem uma comparação da precisão proporcionada pelos dois solventes. Vê-se, claramente, que o solvente propanol apresentou uma faixa de precisão um pouco menor em relação (DPR%: 0,28 a 3,63) ao solvente etanol (DPR%: 0,27 a 2,97). Sendo assim, o propanol pode ser considerado um reagente adequado para ser utilizado nas curvas analíticas sem a presença de biodiesel. Os parâmetros de validação analítica investigados, tais como, limite de detecção (LOD), limite de quantificação (LOQ), desvio padrão (S) e coeficiente de variação (DPR) foram obtidos a partir das curvas analíticas por padronização externa e calculados através do desvio padrão de 10 medidas do branco obtendo bons resultados, em relação a performance analítica, para os dois solventes avaliados:  Etanol - Sensibilidade de 0,6812 Abs L mg-1; R = 0,999; S = 2,30x10-4; DPR = 2,24%; LOD = 1,01x10-3 mg L-1; LOQ = 3,38X10-3 mg L-1.  Propanol - Sensibilidade de 0,3696 Abs L mg-1; R = 0,997; S = 1,64x10-4; DPR = 2,91%; LOD = 1,33x10-3 mg L-1; LOQ = 4,43X10-3 mg L-1. A sensibilidade mostrou-se maior para etanol, cuja inclinação da curva é 54% maior do que a obtida para o propanol. Portanto, a diferenças de sensibilidade das curvas podem ser atribuídas as propriedades físicas (viscosidade, densidade, ponto de ebulição, pressão de vapor, tensão superficial, etc.) relatadas na literatura (BARROS et al., 2012; LYRA, 2010a; LEMONDS; MCCLELLAN, 1973; SOUZA, 2007). As faixas lineares das concentrações para ambos álcoois são similares, permitindo comparar as determinações de Mg nas mesmas concentrações. O DPR indica que o procedimento do etanol é mais preciso. Em termos de LOD e LOQ, os resultados obtidos com apresentaram também melhores valores, que indicam maior sensibilidade, pois ambos os parâmetros apresentaram menores valores do que o solvente propanol. Diante disso, também avaliou a sensibilidade e o efeito de matriz das curvas analíticas em meio biodiesel/álcool-ácido e no meio álcool-ácido (Figura 1). INSERIR FUGURA 1 Na Figura 1, ficou evidente que as curvas com etanol foram mais sensíveis, assim como, as diferenças de inclinação obtidas pelos solventes utilizados podem estar relacionadas com as propriedades físicas. Ainda mais, a intensidade das absorbâncias que é significativamente maior quando uso de álcoois de baixo peso molecular, em virtude das viscosidades e tensões superficiais menores, evaporação mais rápida e completa, além do fato de o solvente orgânico contribuir para elevação da temperatura da chama (OHLWEILE, 1976). Notou-se também o aumento da sensibilidade de 8,44% no meio etanólico-ácido em relação ao meio biodiesel/etanol acidificado, pode ser atribuído a diferença de viscosidade. Para o meio propanólico-ácido a sensibilidade decresceu de 7,37% em comparação ao meio biodiesel/propanol acidificado. Os resultados podem ser influenciados pelas interferências físicas originadas de variações na viscosidade ou tensão superficial da solução, o que influi na velocidade de aspiração e posteriormente na quantidade de analito na chama (LYRA, 2010a). No entanto, a comparação entre as inclinações das curvas preparadas com os mesmos solventes (etanol ou propanol) não sofreram uma diferença significativa. Comparando as inclinações das curvas analíticas (teste t de Student) mostradas na Figura 1 e obtidas no meio biodiesel/álcool-ácido e álcool-ácido com grau de liberdade igual a 10 e 95% de confiança mostraram para o etanol o tcalc<ttab (0,14 <2,23) e para o propanol tcalc<ttab (0,10<2,23). Considerando os valores de tcal, pode-se avaliar que as inclinações das curvas para os álcoois do estudo na presença e ausência de biodiesel não apresentaram diferença significativa, indicando que os dois métodos não sofrem efeito de matriz. O magnésio é determinado em biodiesel juntamente com cálcio através de métodos oficiais (EN 14214 e ANP n° 45/2014) (BRASIL, 2014a). Dessa forma, avaliou-se uma possível interferência de cálcio na análise de magnésio em biodiesel/etanol através das medidas da absorbância de biodiesel derivado de diferentes matérias-primas. O estudo foi realizado através da medida da absorbância de todas amostras contaminadas com Mg (0,5 mg L-1) obtidas após as adições de Ca (alíquotas de 25, 50, 100 e 200 µL). A proporção dos valores finais adicionados nas amostras contaminadas (Mg + Ca) após a diluição ficaram (1:0,5; 1:1; 1:2 e 1:4). As medidas das absorbâncias foram feitas em amostras fortificadas com concentrações de 0,5 mg L-1 de Mg sem adição do Ca para, assim, averiguar o sinal analítico e comparar com outras amostras com diferentes quantidades de cálcio. Os resultados dos valores médios (triplicatas) das absorbâncias obtidas de distintas proporções de Mg:Ca nas amostras dos biodieseis (babaçu, canola e soja) utilizando etanol como solvente observando que as fontes de biodiesel nas proporções estudadas não influenciaram de forma significativa no sinal da absorbância, ou melhor, as interferências não foram tão acentuadas. A adição de Ca influenciou no aumento mais significativo do sinal analítico na proporção de 1:0,5 (Ca:Mg) para o biodiesel de soja, enquanto que para os demais o aumento do sinal analítico não foi significativo. Avaliou-se também Fe e Al adicionados em amostras de biodiesel de babaçu diluída em propanol para determinação de Mg mantendo as mesmas proporções de interferentes utilizadas no estudo de amostras de biodiesel diluído em etanol em meio ácido. Os resultados demonstraram que a técnica analítica foi seletiva, pois determinou Mg em amostras de biodiesel contendo outros metais. O desempenho do método em amostras reais foi avaliado pela comparação entre os solventes etanol (método proposto por Magalhães et al. (2014), que utiliza a técnica espectroanalítica de FAAS) e propanol, que é o solvente avaliado neste trabalho. Nesse estudo comparativo utilizou-se inicialmente o teste F para avaliar a precisão, ou seja, se há diferença entre as variâncias dos dois procedimentos (usando os dois solventes). O teste t de Student foi usado para avaliar a exatidão, ou seja, se há diferença entre as médias obtidas pelos procedimentos. Em ambos os procedimentos, com cada solvente diferente, as análises foram feitas em quintuplicatas, logo, n1 = n2 = 5. Os valores do grau de liberdade para distribuição F e t foram 4 (numerador e denominador) e 8, respectivamente. Os resultados obtidos do teste F (Fcalc=1,03 e Ftab=6,38.: Fcal < Ftab) e teste t (tcalc=0,25 e ttab=2,30.: tcal <ttab), para as amostras de biodiesel de babaçu e soja diluídas no meio alcoólico-ácido para determinação de Mg por FAAS, não apresentaram diferença significativa, ao nível de confiança de 95%, tanto no que se refere à precisão e exatidão.

Tabela 1

Precisão das medidas de absorbância de diferentes concentrações de Mg no meio etanólico e propanólico.

Figura 1

Curvas analíticas para Mg em meio álcool-ácido e biodiesel/álcool-ácido

Conclusões

O estudo realizado mostrou que a simples diluição de amostras de biodiesel com álcoois de cadeia curta, associada à detecção pela técnica FAAS pode ser usada eficazmente como método alternativo para determinação de Mg em biodiesel. O método com a diluição de biodiesel nos solventes etanol ou propanol mostrou-se viável, simples e rápido para ambos os álcoois, podendo ser aplicado para diluição de amostras de biodiesel na determinação de Mg, não comprometendo a análise instrumental. Além disso, a solução padrão inorgânica de Mg utilizada apresentou uma boa estabilidade e pode ser usada consecutivamente durante três dias em análises de rotina. A avaliação estatística da metodologia proposta, usando os dois solventes na determinação de Mg por FAAS apresentou bons indicadores analíticos, em termos de precisão, exatidão, e LOD e LOQ. No estudo comparativo entre os dois solventes, o propanol mostrou-se tão eficaz quanto o etanol. Nesse estudo, em termos de exatidão, os testes de recuperação de Mg mostraram que o meio biodiesel/propanol apresentou resultados similares ao meio biodiesel/etanol, esse último, já existente na literatura. Os resultados do teste F e t de Student, usados para comparar a precisão dos dois meios mostraram-se estatisticamente equivalentes para a determinação de Mg por FAAS. Portanto, o solvente propanol, que é usado pela primeira vez, neste trabalho, indicou ser adequado e que pode ser utilizado como método alternativo de dissolução de biodiesel em meio ácido, para a determinação de Mg por FAAS. Acredita-se ainda que este procedimento pode ser usado na determinação de outros metais ainda não estudados, presentes em Biodiesel.

Agradecimentos

FSADU, FAPEMA, UFMA E UESPI

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