uso da energia de ondas ultra-sônicas no preparo de...
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20 Hz
Infra-sons: ν ≤ 20 HzSons audíveis: 20 Hz ≤ ν ≤ 20 kHzUltra-sons: ν ≥ 20 kHz
20 kHz
Ultra-som:Ondas que se propagam com freqüências
superiores às percebidas pelo ouvido humano
OdontologiaOdontologia(canais)(canais)
Eng. CivilEng. Civil(Ensaios não (Ensaios não Destrutivos)Destrutivos)
MedicinaMedicina(diagnose (diagnose e terapia)e terapia)
BiologiaBiologia(Ruptura de (Ruptura de
ccéélulas)lulas)
ProduProduçção de ão de polpolíímerosmeros
AlarmesAlarmesLavadorasLavadorasindustriaisindustriais
EmulsificaEmulsificaçção ão de cosmde cosmééticos ticos
e alimentose alimentos
Soldagem de Soldagem de plpláásticossticos
QuQuíímicamica(sonoqu(sonoquíímica)mica)
AtomizaAtomizaçção de ão de llííquidos quidos
Como o ultra-som está fora da faixa de freqüência audível do homem, ele pode ser
empregado com alta intensidade.
Sonoquímica:
Aplicação da energia de ondas ultra-sônicasem reações ou processos químicos
http://www.fb-chemie.uni-rostock.de/ess/intro.htm
Sonoquímica
Mauro KornUniversidade Estadual da Bahia
Kenneth S. SuslickUniversidade de Illinois – USAhttp://www.scs.uiuc.edu/suslick/britannica.html
Timothy J. MasonCoventry University - UKhttp://users.ox.ac.uk/~masondr/Sonochemistry/index2.htm
Figura adaptada de http://users.ox.ac.uk/~masondr/Sonochemistry/index2.htm
Cavitação
Compressão Compressão Compressão Compressão
Rarefação Rarefação Rarefação Rarefação Rarefação
Formação das bolhas
Crescimento das bolhas em ciclos
sucessivos
Alcançam tamanho instável
Colapso violento
5000 °C2000 atm
Cavitação
Figura adaptada de http://www.scs.uiuc.edu/~suslick/britannica.html
tempo (ms)
Rai
o (µ
m)
Formação
Crescimento
Colapso
Ondas de choque
“hot spot”
Pressãoacústica
Compressão
Expansão
Em bolhas de cavitação, observam-se temperaturas equivalentes a 5000 °C, pressões de 2000 atm e taxas de aquecimento/resfriamento maiores que 1010 K s-1
Suslik et al. “Acoustic cavitation and its chemical consequences” Phil. Trans. Rov. Soc. London A, 1999, 357, 335-353.
Cavitação
Cavitação: a origem da sonoquímica
Cavitação é o nome dado ao fenômeno de formação, crescimento e colapso de microbolhas em líquidos
Figuras adaptadas de http://www.scs.uiuc.edu/~suslick/britannica.htmlhttp://www.scs.uiuc.edu/~suslick/execsummsono.html
>100 m/s
Colapso prColapso próóximo da superfximo da superfííciecie
A cavitação serve como um meio para
concentrar a energia do ultra-som em
uma forma quimicamente útil.
Figuras copiadas de http://www.scs.uiuc.edu/~suslick/britannica.html
Sem ultra-som 30 min de ultra-som
Efeitos da cavitação e dos microjatosFusão de partículas de molibdênio após sonicação
Partículas de zinco (p.f. 419,5 ºC)
Fusão de partículas de zinco após sonicação
Figura copiada de http://www.scs.uiuc.edu/~suslick/britannica.html
20 kHz50 W cm-2
Efeitos da cavitação e dos microjatos
Figura copiada de http://users.ox.ac.uk/~masondr/Sonochemistry/index2.htm
Efeitos da cavitação e dos microjatos
Homogeneização em sistemas líquido - líquido
Figuras copiadas de http://www.scs.uiuc.edu/~suslick/britannica.html
Mudanças na morfologia da superfície e no tamanho de partículas de óxido de níquel
Efeitos da cavitação e dos microjatos
Sem ultra-som 30s ultra-som
60s ultra-som< 15 µm
< 15 µm < 15 µm
Melhor representatividade
Cavitação - Sonoquímica• Síntese orgânica• Degradação de polímeros• Polimerização• Sonoluminescência• Sonólise (formação de radicais livres)• Formação de sonogéis• Preparação de catalisadores• Preparo de amostras visando a detecção de elementos químicos por técnicas de espectrometria atômica
Martines et al., Química Nova, 23(2), 251-256, 2000.
Extrações de elementos químicos assistidas por ultra-som visando a detecção por técnicas de espectrometria atômica
FAAS
ICP-OES Radial
ICP-OES Axial
HGAAS
GFAAS
ICP-MS
100 10 1 0,1 0,01 0,001
Limites de detecção (µg / L) 0,0001 1000
FAAS
ICP-OES Radial
ICP-OES Axial
HGAAS
GFAAS
ICP-MS
100 10 1 0,1 0,01 0,001
Limites de detecção (µg / L) 0,0001 1000
FAAS
ICP-OES Radial
ICP-OES Axial
HGAAS
GFAAS
ICP-MS
100 10 1 0,1 0,01 0,001
Limites de detecção (µg / L) 0,0001 1000
Limites de detecção típicos das técnicas de espectrometria atômica
Figura adaptada de http://www.perkinelmer.com
Escolha do método de preparo de amostra
J. A. Nóbrega (Julho, 2004) - baseado no trabalho de Richter, Link and Kingston, Anal. Chem., 73(1):33A, 2001
“Os químicos analíticos não precisam mais conviver com a defasagem tecnológica entre as estratégias para o preparo de amostras e a instrumentação”
Métodos de preparo de amostras
Características desejáveis?• Simples e robusto• Baixo custo• Elevada freqüência analítica• Multielementar• Reduzida acidez residual• Confiabilidade metrológica
Os métodos assistidos por ultra-som atendem essas características?
Extração assistida por ultra-som
50 – 500 mgMoagem Sonicação5-20 min
Centrifugação (5 min)Detecção
Sondas ultra-sônicas
130 Watt, 20 kHz130 Watt, 20 kHz
150 150 µµL a 150 mLL a 150 mL
500 e 750 Watt (500 e 750 Watt (20 kHz)20 kHz)250 250 µµL L a 1 La 1 L
http://www.sonicsandmaterials.com
Caixa de Caixa de contencontençção de somão de som
Instrumentação comercialmente disponível
Sonda ultra-sônica acoplada no autoamostrador
Perkin Elmer AS 71
Vibracell, Sonics & Materials
Condições de lixiviação otimizadasBermejo-Barrera et al. Anal. Chim. Acta v.239, p.211-227, 2001
Banho ultra-sônico com água a 20°CTempo de sonicação: 10 minVolume do ácido: 6 ml
Tamanho da partícula: 300 µmMassa de mexilhão: 200 mg
Extração assistida por ultra-somBermejo-Barrera et al. Anal. Chim. Acta v.239, p.211-227, 2001
Extração assistida por ultra-somBermejo-Barrera et al. Anal. Chim. Acta v.239, p.211-227, 2001
Extração de cobre assistida por ultra-som em sistema de injeção em fluxo e medidas por FAAS
Extração de cobre assistida por ultra-som em sistema de injeção em fluxo e medidas por FAAS
30 mg, 250 µL3 mol l-1 HNO3 + 3 mol l-1 HCl
5 min / amostra11 amostras/h
Tubo de vidro
Conclusions
A dynamic ultrasound-assisted extraction method has been proposed for the extraction of macro and micronutrients from animal feeds. The use of an ultrasound probe endows the methods with key features for sample preparation. Firstly, the use of this dynamic and automated approach allows the extraction of the target analytes in a time shorter than that required by the reference AOAC Method 968.08 (18 min versus 4.5 h); thus, a reduction of the time required for either the digestion or extraction step is obtained. Secondly, it provides results similar to the reference method and avoids tedious manual operations with a corresponding simplification of the process as a consequence of a shorter number of operations involved. Furthermore, the procedure is safer than acid digestion or dry-ashing, as neither high pressure nor high temperature are applied in combination with the use of corrosive concentrated acids. This fact minimizes contamination risks and avoids chemical emissions to the atmosphere. The last aspect fulfils the present policy focused at reducing environmental contamination.
The precision of the method, its efficiency, rapidity, low cost and environmental acceptability make it a good alternative for the determination of metals from animal feeds.
3 amostras h-1
Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn80% amplitude (400 W), 20 min sonicação, 90 ◦C
5ml HNO3 e 5ml HClExtrações quantitativas: Cd, Cu, Pb e Zn
Extrações parciais: Cr (75%), Mn (84%) e Ni (81%)
A introdução externa de bolhas de ar no meio e o tempo de agitação magnética empregados proporcionou um efeito positivo na extração dos elementos.
Extração assistida por ultra-som em tecido animal
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Cd Cr Pb Cu Zn Mn Ca Mg FeElementos
Ext
raçã
o (%
)
Sonda Banho Vortex
Extração de elementos em tecidos vegetais assistida por ultra-som Sonda ultra-sônica x banho ultra-sônico
Extração de elementos em tecidos animais assistida por ultra-som Sonda ultra-sônica x banho ultra-sônico
Extração de elementos em solos e sedimentos assistida por ultra-somSonda ultra-sônica x banho ultra-sônico
Extração de molibdênio em plantas assistida por ultra-som
0 1 2 3 40
1
2
3
4Pr
opos
ed m
etho
d µg
/g M
o
Certified value µg/g Mo
Rice Flour
Wheat Flour
Bovine Liver
X = Y
Ultra-som
Valor certificado
Mét
odo
prop
osto
Extração de manganês em sedimentos e materiais biológicos assistida por ultra-som
0 200 400 600 8000
200
400
600
800Pr
opos
ed m
etho
d µg
/g M
n
Certified value µg/g Mn
B. River Sediment
River Sediment
Rice Flour
X = Y
Peach Leaves
Tomato Leaves
Plankton
Valor certificado
Mét
odo
prop
osto
Características desejáveis
☺ Simples e robusto☺ Baixo custo
Baixa freqüência analítica☺ Multielementar☺ Acidez residual (5 – 10 ml, < 20% v/v HNO3)☺ Confiabilidade metrológica
ConclusõesExtração ultra-sônica
ConclusõesO sucesso da extração ultra-sônica depende fortemente
da interação do analito com a amostra.
