Determinação de elementos tecnologicamente críticos no rio Paraíba do Sul, trecho de São José dos Campos, utilizando a espectrometria de massas com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS) e a técnica de difusão em filmes finos por gradiente de concentração (DGT)

Abstract

Elementos tecnologicamente críticos (ETC) são utilizados em larga escala por tecnologias emergentes para aumentar a funcionalidade de produtos em diversos setores industriais. Esses elementos químicos são lixiviados para os ambientes aquáticos devido a liberação de efluentes residuais de processos industriais. Com isso, representam riscos, tanto para saúde humana, quanto para o meio ambiente. Contudo, ainda há lacunas na compreensão dos ETC, desde níveis ambientais até seus efeitos toxicológicos. Devido ao rio Paraíba do Sul estar localizado próximo ao polo industrial de São José dos Campos (SP), esta área representa um potencial receptor de ETC advindos de efluentes industriais. Portanto, os objetivos desse estudo foram determinar e avaliar o fracionamento químico de elementos tecnologicamente críticos nas águas do rio Paraíba do Sul no trecho de São José dos Campos, bem como analisar métodos para diminuir possíveis interferências com o uso dos sistemas APEX e SPIRO acoplado ao ICP-MS. Para isso foram imersos em sete pontos ao longo do rio dispositivos DGT, coletadas amostras para análise das frações totais e dissolvidas e medidos o pH, condutividade e temperatura da água no momento das imersões. Em laboratório os DGT foram desmontados e o disco Chelex-100 eluído por 24 horas em agitação. Para a determinação o ICP-MS foi otimizado, assim como no acoplamento do sistema APEX e no acoplamento do SPIRO. A especiação ocorreu através do software CHEAQS utilizando os dados coletados em campo de pH e potencial redox. Os resultados obtidos com a utilização do SPIRO foram contrarias ao esperado pois, não obteve o potencial máximo de otimização. O acoplamento do sistema APEX ao ICP-MS resultou em uma considerável redução da formação de óxidos, reduzindo consequentemente as interferências. As determinações da primeira campanha de coleta apresentaram elevadas concentrações de analitos em três pontos devido suas proximidades de industrias. A segunda campanha de coleta, diferente da primeira, apresentou uma elevada concentração de La (16 µg/ L) e de Ce (5,15 µg/L). A especiação da primeira campanha de coleta resultou em uma grande quantidade de espécies no ponto 4b devido à baixa concentração de fosfato. A fração filtrada mostrou que a especiação pelo CHEAQS está em desacordo com a porcentagem obtida através da fração filtrada e obtida pelo DGT. A especiação da segunda campanha de coleta mostrou-se dessa vez mais equilibrada entre os pontos. A fração filtrada da segunda campanha de coleta também está em desacordo com as espécies obtidas através do CHEAQS e a porcentagem obtidas pelo DGT. A partir desses resultados pode-se dizer que há elementos tecnologicamente críticos no rio Paraíba do Sul, no entanto, não a ponto de causar efeitos adversos na fauna e flora local. Análises mais aprofundadas de contaminação e ecotoxicologia são necessárias devido a lacuna de pesquisa e conhecimento no Brasil.

Technologically critical elements (TCEs) are widely used in emerging technologies to enhance the functionality of products across various industrial sectors. These chemical elements are leached into aquatic environments due to the discharge of residual effluents from industrial processes, posing risks to both human health and the environment. However, there are still gaps in the understanding of TCEs, ranging from environmental levels to their toxicological effects. Since the Paraíba do Sul River is located near the industrial hub of São José dos Campos (SP), this area represents a potential recipient of TCEs from industrial effluents. Therefore, the objectives of this study were to determine and evaluate the chemical fractionation of TCEs in the waters of the Paraíba do Sul River in the São José dos Campos region, as well as to analyze methods for minimizing potential interferences using the APEX and SPIRO systems coupled to ICP-MS. For this purpose, DGT devices were deployed at seven points along the river, samples were collected for analysis of total and dissolved fractions, and pH, conductivity, and water temperature were measured at the time of deployment. In the laboratory, the DGT devices were disassembled, and the Chelex-100 disks were eluted for 24 hours under agitation. The ICP-MS was optimized for determination, as was the coupling of the APEX and SPIRO systems. Speciation was performed using the CHEAQS software, utilizing field data on pH and redox potential. The results obtained with the use of SPIRO were contrary to expectations, as it did not achieve the maximum optimization potential. The coupling of the APEX system to ICP-MS resulted in a significant reduction in oxide formation, consequently reducing interferences. The determinations from the first sampling campaign showed high concentrations of analytes at three points due to their proximity to industries. The second sampling campaign, unlike the first, showed a high concentration of La (16 µg/L) and Ce (5.15 µg/L). The speciation from the first sampling campaign resulted in a large number of species at point 4b due to the low phosphate concentration. The filtered fraction showed that the speciation by CHEAQS was inconsistent with the percentages obtained from the filtered fraction and those obtained by DGT. The speciation from the second sampling campaign was more balanced between the points. The filtered fraction from the second sampling campaign also did not align with the species obtained through CHEAQS and the percentages obtained by DGT. Based on these results, it can be said that TCEs are present in the Paraíba do Sul River; however, they are not at levels high enough to cause adverse effects on local fauna and flora. Further indepth analyses of contamination and ecotoxicology are needed due to the lack of research and knowledge in Brazil.