ÁREA
Química Ambiental
Autores
Suarez, W. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA) ; de Almeida, J.P. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO) ; dos Santos, V. (UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO)
RESUMO
Este estudo descreve um Lab-on-a-Drone desenvolvido para detecção in situ de contaminantes em amostras de águas. O sistema é montado em um veículo aéreo não tripulado (VANT) e controlado remotamente via Wi-Fi para adquirir amostras de água, realizar a etapa de detecção eletroquímica em tempo real e enviar os dados de voltametria para smartphone. O Lab-on-a-Drone foi empregado para a detecção de Pb(II) em águas ambientais, usando uma célula eletroquímica simples contendo um eletrodo de diamante dopado com boro miniaturizado e impresso (SP-BDDE) como eletrodo de trabalho, um Ag/AgCl como eletrodo de referência e uma tinta de grafite como contra eletrodo. Foram construídas curvas analíticas com faixa de concentração de 1,0 a 80,0 μg L-1, apresentando um limite de detecção de 0,062 μg L-1.
Palavras Chaves
Lab-on-a-Drone; Pb(II); SP-BDDE
Introdução
O crescimento populacional e industrial aumenta a busca por recursos naturais (CRIEO, 2023). O consumo global de água acelerou recentemente e, segundo a Organização das Nações Unidas (ONU), o mundo enfrenta atualmente uma crise hídrica (CRIEO, 2023). A ONU estima que 3,6 milhões de pessoas têm algum tipo de dificuldade no acesso à água potável e que até 2050 este problema crescerá até 30% (CRIEO, 2023). E cerca de 80% das águas industriais e residuais são lançadas no ambiente sem tratamento adequado (CRIEO, 2023). Este cenário revela a necessidade de um sistema de monitoramento eficiente e contínuo para detectar a presença de contaminantes na água (BONSIGNORE et al., 2018). Poluentes como os metais tóxicos geram preocupação ambiental e as suas consequências biológicas estão bem estabelecidas na literatura (BONSIGNORE et al., 2018). Metais tóxicos, como Pb(II), Cd(II) e Hg(II), são persistentes e podem acumular-se em peixes e crustáceos e propagar-se através da cadeia alimentar, levando a vários problemas de saúde (BONSIGNORE et al., 2018; WAHIDUZZAMAN et al., 2022). De acordo com a Organização Mundial da Saúde, a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos e o Conselho Nacional de Meio Ambiente do Brasil os níveis toleráveis de Pb(II) em águas superficiais são 10, 15 e 30 μg L-1, respectivamente (CONAMA, 2005). Neste contexto, um monitoramento eficiente da água, empregando um método rápido e preciso, é fundamental para alertar os órgãos ambientais sobre possíveis poluições. Porém, os métodos usuais para quantificação de íons de metais são demorados e requerem técnicas caras, trabalhosas e profissionais altamente qualificados (NETO et al., 2022; SANTOS et al., 2014). Para superar estas desvantagens, a utilização dos VANT é uma opção segura, eficiente e atrativas.
Material e métodos
Desenvolveu-se um circuito eletrônico para controlar a amostragem de água e do sistema eletroquímico do Lab-on-a-Drone. Baseado na microcontroladora arduíno, modelo Wi-fi, conectada a um Driver de corrente ULN 2003 para fornecer potência suficiente para acionar a microbomba(38mm x 21mm), a microválvula (18mm x 14mm) e o sistema eletroquímico de detecção. Para controlar esses periféricos e o potenciostato miniaturizado foi desenvolvido um algoritmo em linguagem C (NETO et al., 2022; SANTOS et al., 2015). Foi utilizado potenciostato miniaturizado utilizando o software Pstrace 5.11, para as análises eletroquímicas em laboratório. No Lab-on-a-drone o mini potenciostato é controlado pela Algoritmo desenvolvido em linguagem C.Na operação, uma microválvula solenóide direciona a amostra de água para frascos de polipropileno (2,0 mL), acoplados ao VANT por um suporte de ácido polilático confeccionado em impressora 3D, utilizados como reservatórios da célula eletroquímica. A coleta de amostras ocorre por um tubo de polipropileno (diâmetro interno de 0,8mm e comprimento de 1,5m) conectado a um tubo oco de cobre (30mm x 5mm). Entre diferentes amostras, o ar foi aspirado pela microbomba para deslocar a solução antiga. Os algoritmos no microcontrolador foram capazes de executar análises CV, SWASV e DPASV, sendo o código base, o METHOD SCRIPT. Além disso, o algoritmo possibilitou a dentificação da corrente de pico, do potencial de pico e o cálculo da concentração de Pb(II). Para superar os problemas com baterias fracas durante a análise in situ, foi utilizado um sistema de células solares para recarregá-las. Composto por placas solares de 60 W, bateria estacionária de 12 V 100 A, controlador de carga solar de 12 V e módulo inversor 12 V para aumentar a autonomia do sistema (Fig 1a).
Resultado e discussão
Para a amostragem de águas superficiais, utilizou-se um VANT (Mavic Air
fabricado pela DJI), um quadricóptero com 168×184×64 mm e 430 g (Fig 1b). A
linguagem C foi escolhida para desenvolver código-fonte aberto (SANTOS et al.,
2014; KOPARAN et al., 2018). Comandos de acionamento do M e S para coleta da
amostra de água foram realizados via Wi-Fi de um smartphone somente quando a
aeronave atingiu o primeiro ponto de amostragem. Após 7 s, a sonda amostral é
preenchida com 0,5 mL de amostra e a voltametria automatizada é realizada
empregando CV, SWASV, DPASV com os dados transmitidos em tempo real para o mesmo
smartphone utilizado para controlar a aeronave.
Antes da detecção in situ de Pb(II), a resposta voltamétrica do sistema foi
avaliada com 1,0 mmol L-1 de K4Fe(CN)6 em KCl 0,1 mol L-1. Os dados de corrente
elétrica em μA e potencial em V foram enviados via Wi-Fi em tempo real para o
smartphone, apresentando picos bem definidos e comportamento reversível (Fig
2a).
Nas amostras analisadas não foi detectado Pb(II) acima do LD. Assim, amostras de
água foram fortificadas com solução padrão (7 mg L-1) para obtenção de
concentrações de Pb(II) de 0,1 a 10,0 mg L-1 (adequado para o método ICP-OES).
Amostras enriquecidas foram posteriormente diluídas na faixa de 1,0 a 80,0 μg L-
1 e preparadas em tampão acetato (pH 4,5, usado como eletrólito de suporte) para
medi-las via SWASV. Este procedimento foi necessário devido à diferente
sensibilidade dos métodos (KOPARAN et al., 2020). O voltamograma desta análise
pode ser visto na Fig 2b e as concentrações das amostras enriquecidas na Fig 2c.
A precisão do sistema foi avaliada por testes de recuperação, para adições de
10,0, 20,0 e 30,0 μg L-1, resultando em recuperação de 92% a 110%, considerados
aceitáveis para a aplicação proposta.
a) Circuito eletrônico, b) Sistema de amostragem - \r\nVANT Mavic air (Bateria 1, microbomba 2, válvula \r\nsolenóide 3), c)frasco de amostra e d)SP-BDDE
a) Voltamograma produzido, b)Curva analítica para \r\ndetecção de Pb(II) e c) Comparação entre análise in \r\nsitu de Pb(II) usando Lab-on-a-Drone e ICP-OES.
Conclusões
Este Lab-on-a-Drone permitiu adquirir informações rápidas, de baixo custo e precisas sobre contaminantes tóxicos presentes na água ambiental. Os resultados obtidos mostram uma ferramenta ambiental com alto grau de inovação e tecnologia em termos de monitoramento de recursos hídricos, com possibilidade de produção em larga escala. O Lab-on-a-Drone com detecção eletroquímica foi desenvolvido como uma plataforma que poderá ser usada para acoplar outros sensores adicionais em um futuro próximo.
Agradecimentos
Este trabalho foi financiado pelo CNPq (421147/2018-0), FACEPE (APQ-0942-1.06/22 e APQ-0413-1.06/21) e FAPEMIG (APQ-01889-21). Os autores agradecem ao CNPq, FACEPE e CAPES pelas bolsas concedidas em apoio a esta pesquisa.
Referências
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