ANÁLISE QUÍMICA POR INJEÇÃO EM FLUXO CONTÍNUO

Adriana A. de Moura Almeida, Caroline de Mayrinck, Isabela Cristina Dias, Thales Fernando Dias Pereira

Departamento de Ciências Naturais, Universidade Federal de São João del-Rei, Campus Dom Bosco, Praça Dom Helvécio, 74, 36301-160, São João del-Rei – MG, Brasil.

2011 DCNAT/UFSJ.

Abstract: This experiment consisted in the construction and evaluation of a system for analysis by continuous flow injection. The evaluation was done by varying the size of the loop of sample, the size of the analytical path, the flow velocity of the system and format of the analytical path, watching their respective values of absorbance.

Keywords: FIA, flow injection analysis, absorbance, dispersing.

Resumo: Este experimento consistiu na construção e avaliação de um sistema para análise por injeção em fluxo contínuo. A avaliação foi feita variando o tamanho da alça de amostragem, o tamanho do percurso analítico, a velocidade de vazão do sistema e o formato do percurso analítico; observando assim os respectivos valores de absorbância.

Palavras Chaves: FIA, análise por injeção de fluxo, absorbância, dispersão.

1 INTRODUÇÃO

Um dos mais importantes

desenvolvimentos da química analítica nas últimas décadas foi o aparecimento de sistemas analíticos automáticos disponíveis comercialmente, dos quais são obtidos dados analíticos com intervenção mínima do operador. Inicialmente, os métodos de análise por injeção em fluxo (em inglês, flow injection analysis – FIA), foram descritos por Ruzicka e Hansen na Dinamarca e por Stewart e colaboradores nos Estados Unidos na metade dos anos de 1970.

A análise química por injeção em fluxo contínuo pode ser definido como um processo no qual a amostra em solução aquosa é introduzida em um fluido carregador que a transporta em

direção ao detector. Durante o transporte a amostra pode receber reagentes, sofrer reações químicas e passar por etapas de separação, concentração, etc.

Em geral, o processo de FIA, pode ser dividido em quatro partes: propulsão dos fluidos, injeção da amostra, reação e detecção.

A propulsão dos fluidos é o sistema de transporte de amostra e reagente e pode ser à vazão constante ou à pressão constante. Quando o sistema trabalha à vazão constante, o meio mais empregado para movimentar o fluido carregador e as soluções dos reagentes é a bomba peristáltica. Em sistemas a pressão constante, tem sido empregados dispositivos de ação gravitacional como propulsores de fluidos.

O injetor é o dispositivo fundamental do sistema. Além de introduzir a amostra no percurso analítico, pode ser empregado para selecionar as vazões do carregador e dos reagentes e também variar o comprimento do percurso analítico, o que aumenta a flexibilidade do processo.

Após a injeção a amostra é inserida no percurso analítico. É onde ocorrem as reações químicas necessárias à detecção da espécie de interesse. Assim, o dimensionamento do mesmo deve levar em conta, o tempo de residência da amostra, e, portanto, as vazões do carregador e dos reagentes.

Quanto aos detectores, têm sido empregados, praticamente, todos aqueles usuais em química analítica: espectrofotômetros de UV-VIS, espectrofotômetros de absorção atômica, potenciômetros, condutivímetros, espectrômetro de emissão com plasma, etc.

2 OBJETIVO

Analisar os componentes utilizados em um sistema de análise por injeção em fluxo; e os efeitos da variação dos principais fatores de dispersão, tais como: volume de amostra, dimensão do percurso analítico, vazão do transportador (na ausência de reações químicas).

3 PARTE EXPERIMENTAL

Os experimentos foram efetuados com o sistema em linha única representado na Figura 1. Alíquotas de uma solução colorida (permanganato de potássio) foram inseridas no transportador (água) e foram avaliados o efeito dos principais fatores que afetam a dispersão:

A primeira parte do experimento consistiu em variar o volume de amostra, alterando o comprimento da alça de amostragem (L) e mantendo constante a vazão do

transportador (3,5 ml min-1 e B = 100 cm) e alterando o tamanho da alça de amostragem ( 5, 25, 50, 100 e 200 cm) com os respectivos volumes de amostra: 25, 125, 250, 500 e 1000 l. Em seguida alterou-se o comprimento do percurso analítico (50, 100 e 200 cm), com L = 25 cm;

Foi observado também, o efeito do emprego de um tubo de polietileno disposto em linha reta e em formato helicoidal;

Posteriormente alterou-se a vazão do transportador (1,7, 3,5 e 7,0 ml min-1) modificando a rotação da bomba peristáltica e aumentou o tempo de residência através da parada de fluxo verificando, assim, o efeito sobre a dispersão;

Avaliou-se o efeito da introdução de um fluxo confluente logo após a inserção da amostra e imediatamente antes da entrada da cela de fluxo usando os seguintes parâmetros: L = 25 cm; B = 100 cm; vazões - transportador: 3,5 ml min-1, confluente: 2,0 ml min-1.

Por fim, substitui-se o transportador pela solução colorida e registrar o sinal obtido.

C

W L

B

AD W

I

Figura 1 – Diagrama de fluxo de um sistema em linha única. I – injetor-comutador com barra deslizante; L – alça de amostragem; B – reator; D – cela de fluxo do espectrofotômetro ( = 535 nm); C – transportador (H2O); A – solução colorida (2 x 10-4 mol l-1); W – descarte de soluções.

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

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4.1- VARIAÇÃO DA ABSORBÂNCIA EM FUNÇÃO DO VOLUME.

Alterando o comprimento da alça de amostragem conseqüentemente o volume foi sendo variado, e os demais parâmetros foram mantidos constantes, conforme apresentado na tabela 1.

Pode-se analisar que aumentando o comprimento da alça aumenta-se também o sinal gerado pelo detector. O aumento do sinal com a alça tende a um limite máximo, conforme mostrado na figura 2. Situação esta que é causada pela dispersão mínima da amostra, uma vez que quanto maior a alça de amostragem em relação ao percurso analítico, menor a dispersão; no entanto a alça de amostragem não pode ser aumentada indefinidamente, pois afeta a determinação de amostras muito diluídas.

Figura 2. Gráfico da variação da absorbância em função do tamanho da alça de amostragem.

4.2 – VARIAÇÃO DA ABSORBÂNCIA EM FUNÇÃO DO PERCURSO ANALÍTICO.

O percurso analítico foi sendo variado, mantendo-se a alça de amostragem constante (L = 25 cm). Pode-se verificar que o aumento do percurso analítico implica na diminuição da absorbância, o que ocorre devido ao processo de dispersão; como se pode observar na figura 3. Sabe-se que quanto maior o percurso, maior o tempo de residência da amostra, o que resulta em diminuição da velocidade analítica. O tempo de residência da amostra pode ser aumentado, diminuindo-se a vazão do carregador.

Figura 3. Gráfico da variação da absorbância em função do tamanho do percurso analítico.

4.3 – UTILIZAÇÃO DE UM TUBO DE POLIETILENO EM LINHA RETA E EM FORMATO HELICOIDAL.

A dispersão da amostra no fluído carregador depende das características físico-químicas das soluções e de suas viscosidades. O efeito da dispersão sob o sinal analítico depende de vários parâmetros como: diâmetro interno do percurso analítico, tubo reto ou enrolado, vazão do carregador e rugosidade da parede interna do percurso.

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Pode-se avaliar que o emprego do tubo enrolado apresenta maior sinal se comparado com o tubo disposto em linha reta devido a sua menor dispersão, isso pode ser observado na tabela 3.

4.4- ANÁLISE DO EFEITO SOBRE A DISPERSÃO EM RELAÇÃO À VAZÃO E AO TEMPO DE RESIDÊNCIA.

A vazão do carregador pode ser manipulada conforme o tempo necessário para o desenvolvimento de uma determinada reação. Quanto maior a vazão, menos o tempo de residência da amostra. No experimento pode-se observar que o sinal analítico aumenta conforme diminui a vazão, mantendo fixo o percurso e a alça de amostragem; isto é mostrado na tabela 4.

Figura 4. Gráfico da variação da absorbância em função da velocidade de vazão.

4.5 – EFEITOS DA INTRODUÇÃO DE UM FLUXO CONFLUENTE.

As limitações do sistema de linha única foram resolvidas, adotando-se a adição do reagente por confluência, o que permite que cada fração da amostra receba a mesma quantidade de reagente. Neste sistema a amostra é distribuída em um espaço maior que o ocupado anteriormente, o que corresponde a uma diluição, ocupando uma maior fração do percurso analítico tendo a mesma função de uma alça de amostragem mais longa.

Utilizando o sistema de confluência a média do sinal foi de 0,0956 enquanto sem a mesma, a média do sinal foi de 0,1233.

4.6 – SUBSTITUINDO O TRANSPORTADOR PELA SOLUÇÃO COLORIDA

Como não há presença do carregador a solução de permanganato de potássio não sofre dispersão, sendo assim o tamanho da alça de amostragem e do percurso analítico não influenciarão no sinal analítico.

Utilizando o percurso de 100 cm e alça de 25 cm, o sinal obtido foi de 0,342; sendo que quando existe presença de carregador e os mesmos parâmetros, o sinal médio foi de 0,273.

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4.7 – COEFICIENTE DE DISPERSÃO REFERENTES AO SINAL MÁXIMO EM CADA UMA DAS SITUAÇÕES DESCRITAS NOS ITENS 1 E 2.

O coeficiente de dispersão foi determinado utilizando a seguinte equação:

D=A0

Amáx .

(1)

Onde A0 é o sinal da absorbância da solução de KMnO4 quando não existe a presença de carregador (nesse caso o valor A0 é igual a 0,312) e Amáx. é o sinal da absorbância obtido ao longo do experimento. Com isso pôde-se montar duas tabelas com os valores de D e a respectiva classificação para cada caso.

Caso 1: Variando a alça de amostragem;

Caso 2: Variando o percurso analítico;

A classificação foi feita utilizando os seguintes parâmetros pré-determinados no experimento: limitada (1 < CD < 3); média (3 < CD < 10) e elevada (CD > 10);

5 CONCLUSÃO

O processo de análise química por injeção em fluxo continuo é um meio versátil, simples e com baixo custo de implementação. Sobre o sistema, vale ressaltar que quanto maior o percurso analítico, menor a absorbância devido à dispersão da amostra, e quanto maior o tempo de residência menor a velocidade analítica. O tempo de residência pode ser aumentado diminuindo a vazão do carregador. O volume da amostra empregado é definido pelo comprimento da alça de amostragem, e pode-se observar que, quanto maior a alça, menor será a dispersão e maior o sinal analítico.

Concluiu-se também que adicionando um fluxo confluente, o sinal analítico diminui devido a uma menor dispersão.

6 BIBLIOGRAFIA

[1]– SKOOG, Douglas A.; HOLLER, James F.; NIEMAN, Timothy A.; Princípios de Análise Instrumental, 5ªed., editora Bookman, São Paulo, 2002, p. 731-740.

[2] – Reis, B.F., Giné, M.F. e Kronka E.A.M. (1989). A análise química por injeção em fluxo contínuo. Química Nova, 12: 82-91.

[3] – Reis, B.F. (1996). Análise química por injeção em fluxo: vinte anos de desenvolvimento. Química Nova, 19: 51-58.

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