UTILIZAÇÃO DA ULTRAFILTRAÇÃO EM FLUXO TANGENCIAL COMO NOVA METODOLOGIA PARA DETERMINAÇÃO DA CAPACIDADE DE COMPLEXAÇÃO E CONSTANTES DE EQUILÍBRIO DE ÍONS Cu(II) COMPLEXADOS POR MATÉRIA ORGÂNICA NATURAL Luciane Pimenta Cruz Romão Tese apresentada ao Curso de Pós- Graduação do Instituto de Química de Araraquara para obtenção do Título de Doutor em Química, área de concentração Química Analítica Orientador: Prof. Dr. Julio Cesar Rocha ARARAQUARA 2003 unesp UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA COMISSÃO EXAMINADORA Prof. Dr. Julio Cesar Rocha (orientador) Instituto de Química/UNESP/Araraquara Prof. Dr. Antonio Celso Spínola Costa Instituto de Química/UFBA Prof. Dr. Nelson Ramos Stradiotto Instituto de Química/UNESP/Araraquara Prof. Dr. Homero Marques Gomes Faculdade de Ciências e Tecnologia/UNESP/Presidente Prudente Prof. Dr. Alexandre Gustavo Soares de Prado Instituto de Química/UNB DADOS CURRICULARES Luciane Pimenta Cruz Romão 1. DADOS PESSOAIS 1.1. Nascimento: 27/09/1964 1.2. Nacionalidade: brasileira 1.3. Naturalidade: Ilhéus – BA 1.4. Estado Civil: Casada 1.5. Filiação. Pai: Gonçalo Bonfim da Cruz Mãe: Bernadete Argolo Pimenta Cruz 1.6. Profissão: química 1.7. Documento de Identidade: RG. 1015164 SSP/SE 1.8. Cadastro de Pessoa Física: CPF: 266.835.715-20 1.9. Endereço: Rua Ademar de Ponte nº 557, Jardim Santa Mônica – Araraquara - CEP. 14801-090 – SP 2. FORMAÇÃO ACADÊMICA 2.1. Química Industrial Curso de química industrial concluído em Agosto de 1986 no Departamento de Química da Universidade Federal de Sergipe – UFS 2.2. Licenciada em Química Curso de licenciatura em Química concluído em Dezembro de 1990 no Departamento de Química da Universidade Federal de Sergipe – UFS 2.3. Mestre em Química Curso de Pós-graduação em Química Área de Concentração: Química Analítica, concluído em Agosto de 1996, no Instituto de Química da Universidade Federal da Bahia – UFBA 2.4. Doutora em Química Curso de Pós-graduação em Química Área de concentração: Química Analítica, concluído em Agosto de 2003, no Instituto de Química da Universidade Estadual Paulista - UNESP 3. TRABALHOS CIENTÍFICOS PUBLICADOS DURANTE O CURSO ROMÃO, L. P. C.; CASTRO, G. R.; ROSA, A. H.; ROCJA, J. C.; PADILHA, P. M.; SILVA, H. C. Tangential flow ultrafiltration: an versatile methodology for determination of complexation parameters in refractory organic matter from Brazil water and soil samples. Anal. Bioanal. Chem., v. 375, n. 8, p. 1097- 110, 2003. ALMEIDA, R. N. H. M.; MOZETO, A. A.; ZARA, L. F.; ROSA, A. H.; ROCHA, J. C.; ROMÃO, L. P. C.; SARGENTINI Jr., E. Extração de matéria orgânica aquática por abaixamento de temperatura: Uma metodologia alternativa para manter a identidade da amostra. Química Nova, v. 26, n. 2, p. 208-212, 2003. ROMÃO, L. P. C.; ARAÚJO, A. B.; ROCHA, J. C.; ROSA, A. H. Redução de crômio hexavalente por substâncias húmicas aquáticas imobilizadas em aminopropil sílica. Eclética Química, v. 27, p. 383-391, 2002. ARAÚJO, A. B.; ROCHA, J. C.; ROSA, A. H.; ROMÃO, L. P. C. Distribuição e caracterização das constantes de troca entre espécies metálicas e frações húmicas de diferentes tamanhos moleculares. Química Nova, v. 25, n. 6B, p. 1103-1107, 2002. 4. TRABALHOS COMPLETOS EM ANAIS DE EVENTOS ROMÃO, L. P. C.; ROCHA, J. C.; ROSA, A.. H. Determinação de parâmetros de complexação de cobre (II) por substâncias húmicas aquáticas e de solos: utilização de eletrodo íon seletivo. In: XIII Simpósio Brasileiro de Eletroquímica e Eletroanalítica, 2002, Araraquara.XIII Simpósio Brasileiro de Eletroquímica e Eletroanalítica. São Paulo: UNESP, 2002, v. único, p. 445-447. 5. TRABALHOS APRESENTADOS EM CONGRESSOS BELLIN, I. C.; ROMÃO, L. P. C.; ROSA, A. H.; SANTOS, A.; ROCHA, J. C. Caracterização potenciométrica da capacidade de complexação de substâncias húmicas de diferentes solos da Bacia do Rio Negro-AM. In: 26a REUNIÃO ANUAL DA SOCIEDADE BRASILEIRA DE QUÍMICA, 2003, Poços de Caldas. ROMÃO, L. P. C.; CASTRO, G. R.; ROSA, A.. H.; MENDONÇA, A. G. R.; ARAÚJO, A. B.; ROCHA, J. C. Comparação entre os métodos de ultrafiltração e de eletrodo íon seletivo na determinação da capacidade de complexação de substâncias húmicas aquáticas por íons cobre (II). In: 25a REUNIÃO ANUAL DA SOCIEDADE , 2002, Poços de Caldas. ROMÃO, L. P. C.; CASTRO, G. R.; ROSA, A.. H.; R.; ROCHA, J. C.; PADILHA, P. M. Tangential-flow ultrafiltration: an alternative methodology for determination of complexation parameters in refractory organic matter from Brazilian water and soil samples. In: XII EUROANALYSIS, 2002, Dortmund, Germany. ARAÚJO, A. B.; ROSA, A. H.; ROMÃO, L. P. C.; ROCHA, J. C.Caracterização da complexação de espécies metálicas por frações húmicas aquáticas de diferentes tamanhos moleculares. In: IV ENCONTRO NACIONAL DE SUBSTÂNCIAS HÚMICAS, 2001, Viçosa. SANTOS, A.; ROMÃO, L. P. C.; ROSA, A. H.; SARGENTINI Jr, E.; ROCHA, J. C.; REZENDE, M. O. O. Competição de ligantes por espécies metálicas: substâncias húmicas x DTPA/EDTA. In: 24a REUNIÃO ANUAL DA SOCIEDADE BRASILEIRA DE QUÍMICA, 2001, Poços de Caldas. ARAÚJO, A. B.; ROSA, A. H.; ROMÃO, L. P. C.; ROCHA, J. C. Redução de crômio hexavalente por substâncias húmicas aquáticas imobilizadas em aminopropil sílica. In: XIII ENCONTRO REGIONAL DE QUÍMICA, 2001, Araraquara. Ao Prof. Dr. Julio Cesar Rocha, pela orientação, atenção e amizade dispensadas a mim durante todo o curso; Aos meus pais, Gonçalo e Detinha; Aos tios, Nicinha, Antônio e Oswaldo (in memoriam); Ao meu marido Fred; Aos meus filhos, Caio e Iuri AGRADECIMENTOS Ao Prof. Dr. Pedro Padilha Magalhães, sempre muito receptivo, tendo disponibilizado o equipamento de espectrometria atômica para as determinações dos metais; Aos amigos Ademir, Alexandre, André Gustavo, André Rosa, Cássia, Gisele, Gustavo, Iramaia, Luciana, Márcio, Rosana, Zara e Wander, pela imensa ajuda e por terem me dado a chance de conhece-los; Aos amigos Arnaldo e Bete, Nelson e Valnice pela amizade e conversas informais nos encontros de finais de semana; Aos amigos do Maranhão, Adriana, Alan, Delba, Érika, Natilene e Ozelito pela alegria e descontração; A Profa. Dra. Raquel Nogueira e amigos Alan, Daniela, Milady e Mirela, pela utilização do analisador de carbono; As técnicas de laboratório Silvia (RMN 13C) e Irene (Infravermelho); Ao casal de amigos Márcio e Ruth, pela fraternal acolhida em São Carlos, em Setembro de 1999. As funcionárias da Biblioteca do IQ, em especial à Marilda Santos, Priscila Vicentini e Valéria Novelli pela condução competente dos serviços bibliográficos; A Profa. Dra Maysa Furlan, Coordenadora da Pós-graduação em Química e Bioquímica, e as amáveis funcionárias, Izolina, Sandra e Vilma, da Seção de Pós graduação, pelo atendimento sempre amável e atencioso; A Universidade Federal de Sergipe e a CAPES/PICDT, pelo apoio financeiro, imprescindível para a realização desse projeto. Mais uma vez Se você quiser alguém em quem confiar, confie em si mesmo. Quem acredita sempre alcança Nunca deixe que lhe digam que não vale a pena acreditar no sonho que se tem ou que seus planos nunca vão dar certo ou que você nunca vai ser alguém. Tem gente que machuca os outros tem gente que não sabe amar. Tem gente enganando a gente, veja nossa vida como está mas eu sei que um dia a gente aprende. Renato Russo e Flávio Venturini SUMÁRIO RESUMO.........................................................................................................i ABSTRACT......................................................................................................ii LISTA DE ABREVIATURA..............................................................................iii 1 – INTRODUÇÃO......................................................................................................1 1.1 - MATÉRIA ORGÂNICA NATURAL......................................................................2 1.1.1 - Definição..........................................................................................................2 1.1.2 - Origem e natureza da MON.............................................................................2 1.1.3 - Classificação da matéria orgânica aquática (MOA).........................................3 1.2 - SUBSTÂNCIAS HÚMICAS ................................................................................4 1.2.1 - Substâncias húmicas de solo (SHS)................................................................5 1.2.2 - Substâncias húmicas aquáticas (SHA)............................................................5 1.3 – IMPORTÂNCIA AMBIENTAL DAS SUBSTÂNCIAS HÚMICAS.........................6 1.3.1 - Ciclo do carbono...............................................................................................6 1.3.2 - Interações com espécies metálicas..................................................................7 1.4 - ESTUDO DO EQUILÍBRIO DE COMPLEXAÇÃO...............................................8 1.4.1 - Considerações gerais.......................................................................................8 1.5 - TÉCNICAS EMPREGADAS NO ESTUDO DE COMPLEXAÇÃO DE MATÉRIA ORGÂNICA NATURAL..............................................................................................12 1.5.1 - Características gerais.....................................................................................12 1.5.2 - Técnicas de não separação............................................................................13 1.5.3 - Técnicas de separação...................................................................................15 1.6 – RELEVÂNCIA DO TRABALHO.........................................................................18 1.7 – OBJETIVOS......................................................................................................20 2 – EXPERIMENTAL.................................................................................................22 2.1 – MATERIAIS......................................................................................................23 2.1.1 – Equipamentos...............................................................................................23 2.1.2 – Reagentes.....................................................................................................24 2.1.3 – Soluções........................................................................................................25 2.2 – MÉTODOS........................................................................................................28 2.2.1 – Amostragem...................................................................................................29 2.2.2 – Extração das substâncias húmicas aquáticas com resina XAD 8..................30 2.2.3 – Extração das substâncias húmicas de solo....................................................32 2.2.4 – Diálise dos extratos.........................................................................................33 2.2.5 – Liofilização dos extratos..................................................................................34 2.2.6 – Estudos de complexação para íons Cu(II)......................................................34 2.2.7 – Determinação dos metais...............................................................................39 2.2.8 – Determinação dos teores de carbono orgânico..............................................40 2.2.9 – Determinação da composição elementar........................................................40 2.2.10 – Espectroscopia na região do infravermelho..................................................40 3 – RESULTADOS E DISCUSSÃO............................................................................41 3.1 – CARACTERIZAÇÕES........................................................................................42 3.1.1 – Carbono orgânico total (COT).........................................................................42 3.1.2 – Composição elementar...................................................................................43 3.1.3 – Infravermelho..................................................................................................44 3.2 – DETERMINAÇÃO DOS COEFICIENTES DE RETENÇÃO DA MEMBRANA DE 1 kDa..........................................................................................................................47 3.3 – COMPLEXAÇÃO DE Cu(II) POR MATÉRIA ORGÂNICA AQUÁTICA, SUBSTÂNCIAS HÚMICAS AQUÁTICAS E DE SOLOS...........................................48 3.3.1 – Capacidade de complexação........................................................................48 3.3.2 – Constante de estabilidade condicional (K)....................................................50 3.4 – CORRELAÇÃO ENTRE A CAPACIDADE DE COMPLEXAÇÃO (CC) E CARBONO ORGÂNICO TOTAL (COT)....................................................................59 3.5 – DETERMINAÇÃO DAS CONSTANTES DE TROCA POR ULTRAFILTRAÇÃO TANGENCIAL...........................................................................................................61 4 – CONCLUSÕES...................................................................................................66 5 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................69 i RESUMO Um procedimento de ultrafiltração com fluxo tangencial e membrana polietersulfônica de porosidade 1 kDa foi utilizado na determinação da capacidade de complexação (CC) e constantes de estabilidade condicional (K) do íon cobre(II) para amostras de matéria orgânica natural, substâncias húmicas aquáticas e substâncias húmicas de solo de diferentes regiões do Brasil. As substâncias húmicas de solos apresentaram maiores valores de CC em relação à matéria orgânica natural e substâncias húmicas aquáticas. Os valores das capacidades de complexação das amostras de matéria orgânica aquática (1,25±0,07, 1,18±0,05 e 1,81±0,30) e das amostras de substâncias húmicas aquáticas (1,23±0,11, 1,12±0,05 e 1,44±0,04) foram similares, indicando que o procedimento de extração utilizando resina acrílica XAD-8 não modificou significativamente as características complexantes originais das amostras. Os valores das capacidades de complexação da matéria orgânica natural (MON) determinados por ultrafiltração para Cu(II) variaram de 0,17 a 1,99 mmol Cu(II)g-1 COT e os valores das constantes de estabilidade condicional variaram de 2,30 a 4,35 (log K1) e 1,36 a 2,60 (log K2) A validação da metodologia de ultrafiltração em fluxo tangencial foi feita comparando as médias das capacidades de complexação para cobre(II) determinadas por UF, e àquelas obtidas por eletrodo íon seletivo utilizando o teste de student t. Os resultados mostraram que não existem diferenças entre os valores das capacidades de complexação determinados por ambos os procedimentos. Resultados de experimentos de troca entre íons Cu(II) adicionados e espécies metálicas (Ni, Al e Fe) originalmente complexadas por substâncias húmicas, permitiram estabelecer a seguinte ordem decrescente de estabilidade relativa do complexo SH-metal: Fe 0 podem ser devidos a formação de hidroxicomplexos de metais, seguida do processo de adsorção dessas espécies na membrana. Entretanto, na presença de ligantes orgânicos espera-se competição entre as reações de complexação e o decréscimo da importância do processo de adsorção e assim, o decréscimo real dos valores de RM (NIFANTEVA et al., 1999). A principal vantagem da ultrafiltração é não possuir limitação nem quanto à natureza do íon metálico, nem do ligante (BUFFLE & STAUB, 1984). Além disso, os limites de detecção para os metais são limitados às sensibilidades técnicas empregadas na determinação dos mesmos (ex. espectrometria atômica) (VAN Den BERGH et al., 2001). Comparada a outras técnicas de separação, uma vantagem da UF é de não ser demorada como a diálise e nem perturbar o equilíbrio de complexação como a cromatografia de troca iônica (NIFANTEVA et al., 1999). 1.6 - RELEVÂNCIA DO TRABALHO O desenvolvimento econômico da sociedade moderna tem levado a crescente demanda de diversos tipos de matéria-prima, os quais têm sido importantes em diversos setores, tais como agricultura, indústria, transporte e doméstico. A utilização desses materiais tem contribuído para elevar o padrão de vida das populações, mas tem aumentado a ocorrência de substâncias naturais e/ou antrópicas, incluindo gases, metais, compostos ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado - IQAr-UNESP - 2003 Introdução 19 orgânicos voláteis, compostos orgânicos solúveis, sólidos suspensos, no ar, água e ambientes terrestres (HOLT, 2000). Quando presentes em ambientes naturais, essas substâncias estão sujeitas a várias combinações e reações, as quais podem influir no seu comportamento e destino. Os efeitos desses processos na concentração das espécies no ambiente dependerá das suas propriedades físico- químicas e condições ambientais. No caso específico de íons metálicos, evidências mostram que as formas iônicas são mais tóxicas para a biota aquática e reações de complexação com a matéria orgânica em águas naturais parecem dominar a especiação de metais traço, controlando/reduzindo a toxicidade e influindo na biodisponibilidade dessas espécies (HART, 1981; SUFFET & MacCARTHY, 1989; LUND et al., 1990; LU & ALLEN, 2002). Os sinais de que a concentração dos metais na biota é excedida, ou de sua toxicidade, ocorrem na interação dessas espécies com proteínas e enzimas nos compartimentos intracelulares, causando danos aos constituintes citoplasmáticos, tais como, redução na taxa de divisão celular, respiração e produção de ATP (MORRISON, 2000). No Brasil ainda existem regiões relativamente preservadas, tanto do ponto de vista da exploração dos recursos vegetais quanto minerais sendo possível encontrar corpos aquáticos com predominância de águas naturais de coloração escura, com alta concentração de matéria orgânica. No Estado de São Paulo existem reservas naturais de proteção ambiental como o Parque Estadual da Serra do Mar, localizada na Baixada Santista próximo da cidade de Cubatão, uma das maiores áreas de remanescentes contínuos de Mata Atlântica. A atividade industrial desta região tem provocado sérios 20 problemas ambientais e, do ponto de vista ambiental, representa ameaça à região (ROCHA et al., 1999). No Estado do Amazonas, destaca-se a bacia do Rio Negro. O Rio Negro é um dos maiores tributários do rio Amazonas e a sua bacia ocupa uma área de 690.000 km2, de um total de 5.500.000 de km2 da Amazônia Legal. Além disso, a bacia do Rio Negro representa aproximadamente 10% da área do território nacional e seus recursos naturais são importantes diante da demanda mundial por água, biodiversidade e minérios (BISINOTI, 2002). A utilização de procedimentos simples e aplicáveis a vários íons metálicos como é o caso do sistema de Ultrafiltração em fluxo tangencial, é importante na obtenção de informações, tanto termodinâmicas como cinéticas das espécies, constituindo-se em metodologia alternativa para a compreensão da interação entre matéria orgânica natural e metais (BURBA et al., 2001. 1.7 - OBJETIVOS - Caracterizar substâncias húmicas extraídas de amostras de água e de solo de diferentes regiões brasileiras por composição elementar e espectroscopia na região do infravermelho; - Baseado em procedimento de ultrafiltração com fluxo tangencial, propor uma nova metodologia para determinação da capacidade de complexação e de constantes de estabilidade condicional de íons cobre(II complexados com matéria orgânica natural; ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado - IQAr-UNESP - 2003 Introdução 21 - Utilizar o procedimento proposto para determinar constantes de troca entre metais originalmente complexados por substâncias húmicas e íons cobre(II) adicionados. 2 - EXPERIMENTAL ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado- IQAr-UNESP- 2003 Experimental 23 2.1. - MATERIAIS 2.1.1 – Equipamentos Agitador magnético; Analisador de carbono SHIMADZU, modelo TOC-5000A; Analisador elementar CHNSO-CE instruments,PERKIN ELMER modelo EA 1110; Balança analítica METTLER, modelo H 10, precisão 0,1 mg; Bomba peristáltica GILSON, modelo Minipuls 3 ; Centrífuga Tomy, modelo IC-15SN, com capacidade de até 3500 rpm; Eletrodo combinado de pH ORION; Eletrodo de referência de dupla junção ORION, modelo 90-02; Eletrodo íon seletivo de Cu(II) ORION, modelo 94-29; Espectrofotômetro HITACHI, modelo U-2000; Espectrômetro de absorção atômica SHIMADZU modelo AA-6800, com forno de grafite modelo GFA-EX7; Espectrômetro de infravermelho NICOLET, modelo Impact 400 (400 a 4000 cm-1); Estufa com renovação de ar da Soc. Fabbe Ltda; Filtro de membrana com porosidade 1 kDa e 47 mm de diâmetro (polietersulfônica, German Pall-Filtron OMEGA); Liofilizador SAVANT, modelo EC Modulyo; Membranas de diálise SEAMLESS CELL 16 x 100 CLEAR; Micro bureta RADELKIS, modelo OP 936; 24 Micro pipetas EPPENDORF e LABSYSTEMS, diversos tamanhos; Potenciômetro portátil ORION, modelo 250A; Potenciômetro TECNAL, modelo Tec-2; Resinas de base acrílica XAD 8; Sistema de ultrafiltração SARTORIUS Ultrasart X; Sistema purificador de água MILLIPORE, modelo Milli-Q plus; Vidraria comum a um laboratório de química analítica. 2.1.2 – Reagentes Ácido clorídrico (Merck), HCl, densidade25°= 1,19 g cm-3, título= 37% (m/m), M= 36,46 g mol-1; Ácido nítrico (Merck), HNO3, densidade25°= 1,40 g cm-3, título= 65% (m/m), M= 63,01 g mol-1; Carbonato ácido de sódio (Mallinckrodt), (bicarbonato de sódio), NaHCO3, M= 84,01 g mol-1; Carbonato de sódio (Mallinckrodt), Na2CO3, M= 105,99 g mol-1; EDTA dissódico (Merck), C10H14N2Na2O8.H2O, M= 372,24 g mol-1; Ftalato ácido de potássio (Mallinckrodt), (biftalato de potássio), HK(C8H4O4), M= 204,22 g mol-1; Hidróxido de sódio (Merck), NaOH, M= 40,00 g mol-1; Brometo de potássio (Merck), KBr, M= 119,00 g mol-1; Metanol (Synth), CH3OH, M= 32,04 g mol-1; Nitrato de sódio (Mallinckrodt), NaNO3, M= 84,99 g mol-1; ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado- IQAr-UNESP- 2003 Experimental 25 Dihidrogenofosfato de potássio (Mallinckrodt), KH2PO4, M= 136,09 g mol-1; Monohidrogenofosfato de sódio (Mallinckrodt), Na2HPO4, M= 141,96 g mol-1. 2.1.3 - Soluções As soluções foram preparadas por dissoluções e/ou diluições de reagentes com alto grau de pureza e as soluções ácidas diluídas foram preparadas diluindo ácido clorídrico 30% e ácido nítrico (p.a. MERCK AG, pré-purificados por destilação) com água desionizada (Sistema Milli-Q, MILLIPORE). A mesma água também foi utilizada para preparar a solução de hidróxido de sódio NaOH (suprapur MERCK AG). Os ajustes de pH foram feitos com soluções de hidróxido de sódio e/ou ácido clorídrico ambas 0,1 mol L-1, 0,01 mol L-1. Solução estoque de hidróxido de sódio 10 mol L-1 Sob banho de gelo dissolveram-se 400 g de hidróxido de sódio em béquer de 2L. Completou-se o volume e foi estocada em frasco de polietileno. Desta solução, por diluição, obteve-se soluções diluídas de 1,0, 0,1 e 0,01 mol L-1. Solução tampão pH 4,0 a 25 oC Dissolveram-se 10,2110 g de ftalato ácido de potássio (seco em estufa a 120 oC por 2 h), transferiu-se para balão volumétrico de 1000 mL, adicionou-se 1 mL de clorofórmio e completou-se o volume. Esta solução foi 26 estocada em frasco âmbar, mantida em refrigerador e desprezada quando observado desenvolvimento de microorganismos. Solução tampão pH 6,9 a 25 oC Dissolveram-se 3,4022 g de dihidrogenofosfato de potássio, 3,5490 g de monohidrogeno fosfato de sódio (ambos secos em estufa a 120 oC por 2 h), transferiu-se para balão volumétrico de 1000 mL, adicionou-se 1 mL de clorofórmio e completou-se o volume. Esta solução foi estocada em frasco âmbar, mantida em refrigerador e desprezada quando observado desenvolvimento de microorganismos. Solução de carbonato ácido de potássio 2% (m/v) Dissolveram-se cerca de 20 g de carbonato ácido de potássio em água desionizada em béquer de 500 mL e completou-se o volume. Solução de substâncias húmicas 100 mg L-1 No experimento do eletrodo íon seletivo, dissolveram-se 5 mg de substâncias húmicas em água, transferiu-se para balão volumétrico de 50 mL e completou-se o volume. No experimento de ultrafiltração, dissolveram-se 20 mg de substâncias húmicas em água, transferiu-se para balão volumétrico de 200 mL e completou-se o volume. ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado- IQAr-UNESP- 2003 Experimental 27 Solução de etilenodiaminotetracético de sódio (EDTA) 0,01 mol L-1 Dissolveram-se 3,7224 g de etilenodiaminotetracético de sódio dihidratado (seco em estufa a 60-70 oC por 8 h), transferiu-se para balão volumétrico de 1000 mL, completou-se o volume e estocou-se em frasco de polietileno. Soluções estoques Solução estoque de cobre 1000 mg L-1 Dissolveram-se 1,000 g de fios de cobre (98,81%) em HNO3 (MERCK AG), transferiu-se para balão volumétrico de 1000 mL e completou-se o volume. Em seguida, padronizou-se a solução com solução de EDTA 0,0100 mol L-1, utilizando murexida 1% com NaCl. Solução estoque de carbono total 1000 mg L-1 Dissolveram-se 0,53 g de ftalato ácido de potássio (seco em estufa a 120 oC por 2 h), transferiu-se para balão volumétrico de 250 mL e completou-se o volume. Esta solução foi estocada em frasco âmbar e mantida em refrigerador. Solução estoque de carbono inorgânico 1000 mg L-1 Dissolveram-se 0,88 g de carbonato ácido de sódio, 1,10 g de carbonato de sódio (ambos secos em estufa a 285 oC por 1 h), transferiu-se para balão volumétrico de 250 mL e completou-se o volume. 28 Soluções padrão Solução padrão de cobre 9,45 x 10-3 mol L-1 Preparou-se solução padrão de cobre 9,45 x 10-3 mol L-1 a partir de diluição da solução estoque de cobre 1000 mg L-1. Soluções padrão mistas dos metais Prepararam-se soluções padrão mistas dos metais em diferentes concentrações, a partir de diluição das soluções estoque Titrisol MERCK. Soluções padrão de carbono total e inorgânico Prepararam-se soluções padrão de carbono total e inorgânico em diferentes concentrações, a partir de diluição das soluções estoques. As curvas analíticas foram feitas com base nas concentrações de carbono estimadas nas soluções de substâncias húmicas e amostras de matéria orgânica aquática. 2.2. - MÉTODOS Toda água utilizada foi previamente destilada e purificada em sistema desionizador de água, até apresentar resistividade 18,2 MΩ cm a 25 oC. A limpeza da vidraria foi feita com vapor de ácido nítrico concentrado, segundo procedimento proposto por TSCHOPEL et al. (1980). Neste caso, a vidraria é colocada com o fundo para cima em um suporte de vidro acoplado dentro de um béquer de 5 litros contendo cerca de 300 mL de ácido nítrico concentrado e tampado com vidro de relógio. O béquer é colocado em chapa de aquecimento e deixado em refluxo por, no mínimo, ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado- IQAr-UNESP- 2003 Experimental 29 duas horas. Em seguida, os frascos são exaustivamente enxaguados com água desionizada. Alternativamente, a vidraria é lavada duas ou três vezes com água desionizada para tirar o excesso de ácido e repete-se o procedimento de refluxo substituindo-se o ácido nítrico por água desionizada. O ácido nítrico pode ser reutilizado duas a três vezes e, então, descartado. 2.2.1 - Amostragem As amostras foram coletadas em diferentes regiões do Brasil. Amostras de água As amostras de água foram coletadas no Rio Itapitanguí, município de Iguape, (IS e IS-XAD 8) e Rio Itapanhaú, município de Bertioga (IR e IR- XAD 8), ambas pertencentes ao Parque Estadual da Serra do Mar (SP); Rio Negro-AM (RN e RN-XAD 8), Rio São Francisco-MG (RF) e Rio Cuiabá-MT (RC). Parte das amostras de água dos Rios Itapitanguí e Itapanhaú foi acidificada a pH 2,0 com solução de HCl concentrado para posterior procedimento de extração com resina XAD 8. O restante das amostras aquáticas não recebeu reagente, sendo mantida sob refrigeração a cerca de 4 oC. Amostras de solo As amostras de solo foram coletadas da Bacia do Médio Rio Negro (AM). Foram utilizadas duas amostras de solo, divididas em solo não alagável de Carvoeiro 1(RNS-1) e solo não alagável de Araçá 1(RNS-2). 30 2.2.2 - Extração das substâncias húmicas aquáticas com resina XAD 8 Utilizou-se a resina macroporosa Amberlite XAD 8 tratada previamente com 200 mL de metanol, permanecendo sob agitação por 24 horas para a retirada de possíveis grupos hidrofílicos retidos e, posteriormente a resina foi exaustivamente lavada com água desionizada (THURMAN & MALCOLM, 1981). Antes da extração, a amostra foi filtrada em papel qualitativo para remoção de sólidos e partículas suspensas. Em seguida, foi montado um sistema para a extração da matéria orgânica aquática (MOA) por cromatografia em coluna com fluxo descendente por gravidade, conforme ilustrado na Figura 3. A resina XAD 8 foi suspensa em água desionizada e acondicionada em coluna de vidro, formando um leito trocador de 16 cm de altura e 2 cm de diâmetro interno. Inicialmente a resina foi tratada com 200 mL de solução de HCl 0,1 mol L-1, em seguida foi lavada com água desionizada até pH neutro e a amostra foi percolada pela coluna com vazão de 3,0 mL min-1. O líquido efluente, em pH 2,0, foi monitorado por leituras de absorbância a 250 nm com o objetivo de estimar a saturação da resina (LARA & THOMAS, 1994). Com o valor da absorbância do efluente apresentando, aproximadamente, metade do valor da absorbância da amostra bruta, o processo de extração foi interrompido. Após saturação com MON, percolou-se pela resina 50 mL de solução de HCl 0,01 mol L-1 com vazão de 4,0 mL min-1 para remover eventuais impurezas inorgânicas. Posteriormente foi feita eluição com solução de NaOH 0,1 mol L-1 (pH= 13), com vazão de 1,0 mL min-1. O eluato foi recolhido na base da coluna, o pH ajustado em 5,0 e o extrato foi armazenado em frasco de polietileno e mantido sob refrigeração a 4 oC. ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado- IQAr-UNESP- 2003 Experimental 31 Após a eluição, a resina foi regenerada em processo de batelada com 100 mL de solução de NaOH 0,1 mol L-1 e exaustivas lavagens com água desionizada. A resina foi então acidificada, com 200 mL de solução de HCl 0,1 mol L-1. FIGURA 4- Sistema extrator utilizado para isolar substâncias húmicas aquáticas 32 2.2.3 - Extração das substâncias húmicas de solo Tomaram-se 5,0 g da amostra, adicionaram-se 50 mL de solução 0,1 mol L-1 HCl e ajustou-se o pH da solução em 1,5 com solução 1,0 mol L-1 HCl. Deixou-se a mistura HCl/solo sob agitação por 1 hora e em seguida fez-se a centrifugação a 1478g por 10 minutos separando-se o sobrenadante do resíduo. Ajustou-se o pH do resíduo em 7,0 com solução 0,1 mol L-1 NaOH e adicionou-se 50 mL de solução 0,1 mol L-1NaOH. Deixou-se a mistura sob agitação mecânica por 4 horas sob atmosfera de nitrogênio em sistema ilustrado na Figura 4 . A seguir, centrifugou-se a mistura em 1478 g por 10 minutos, separando-se o sobrenadante (SH) do resíduo (humina). A humina (matérial orgânico/ inorgânico não extraível) foi descartada e o sobrenadante (SH) acidificado até pH 2,0 com solução 6,0 mol L-1HCl. ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado- IQAr-UNESP- 2003 Experimental 33 FIGURA 5– Sistema extrator utilizado na extração das substâncias húmicas de solo por procedimento em batelada 2.2.4 - Diálise dos extratos O preparo dos tubos de diálise foi feito segundo o procedimento descrito por TOWN & POWELL (1992). A limpeza dos tubos foi feita tratando-os por 10 min com soluções de NaHCO3 2% (m/v) e Na2EDTA 0,01 mol L-1, em seguida os tubos foram lavados com água desionizada a 65 oC. Os tubos limpos foram armazenados em água desionizada a 6 oC. Após limpeza, os tubos foram cheios com os extratos e submersos em água desionizada sob agitação magnética até a condutividade da água apresentar valor próximo da condutividade da água desionizada (cerca de 34 1,3 µS cm-1). O procedimento de diálise é feito para eliminação do excesso de sais dissolvidos nos extratos produzidos pelo processo de extração. 2.2.5 - Liofilização dos extratos Os extratos aquosos das amostras de SHA e SHS, após diálise, foram congelados em banho de nitrogênio líquido e liofilizados a uma temperatura de -40 oC e pressão de 10-1torr em Liofilizador SAVANT. Um volume de 50 mL da amostra é liofilizada em cada frasco em tempo de liofilização de aproximadamente 20h. 2.2.6 - Estudos de complexação para Cu(II) Técnica de ultrafiltração tangencial (UF-FT) Para o estudo de complexação entre o íon Cu(II) e matéria orgânica aquática, utilizou-se o procedimento analítico proposto por BURBA et al. (2001) ilustrado nas Figuras 2 e 5. Este procedimento baseia-se na utilização de um sistema de ultrafiltração tangencial (SARTORIUS Ultrasart X) equipado com membrana de polietersulfônica de 1 kDa (Gelman Pall- Filtron OMEGA), a qual impede a passagem das SH e dos complexos SH-M com tamanho molecular maior que 1 kDa. Logo, os íons metálicos livres não complexados às SH ou trocados por elas passam pela membrana (BURBA et al., 2001). Determinação da capacidade de complexação As titulações foram feitas em volume de 200 mL de solução de SH 100 mg L-1 ou de água natural, ajustou-se o pH em 5,0 com solução de ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado- IQAr-UNESP- 2003 Experimental 35 NaOH 0,1 mol L-1 e força iônica em 0,1 mol L-1 com NaNO3. Utilizou-se o sistema de ultrafiltração tangencial equipado com membrana de 1 kDa descrito no item anterior. Antes da adição da solução de cobre, deixou-se o sistema bombeando por cerca de cinco minutos para condicionamento da membrana. A seguir, filtrou-se a primeira alíquota (cerca de 2 mL), a qual é correspondente ao tempo zero, ou seja, antes da adição da solução de cobre. Essa alíquota contém uma pequena quantidade de cobre originalmente presente na matéria orgânica, correspondente à fração livre (não complexada a MON) mais aquela fração ligada a MON, com tamanho molecular menor que 1 kDa. Volumes de 100µL a 5,0 mL de solução padrão de Cu(II) 9,45 10-3 mol L-1 foram adicionados à solução até concentração em Cu(II) de 4,47 10-4 mol L-1 . Depois de alcançado cada equilíbrio, em 10 min , e com agitação permanente, alíquotas (cerca de 2 mL) das frações da solução foram coletadas contendo íons Cu(II) isolados pelo procedimento de filtração. Os filtrados foram acidificados com solução diluída de HNO3 e em seguida Cu(II) foi determinado por espectrometria de absorção atômica em forno de grafite (GFAAS) (ROCHA et al., 2002). Eletrodo combinado de pH foi utilizado para manter o pH 5,0 durante todo experimento, pela adição de soluções de NaOH 0,1 mol L-1 e 0,01 mol L-1, para neutralização dos prótons liberados pela reação de complexação e por aqueles adicionados via solução padrão ácida de Cu(II). 36 Determinação das constantes de troca entre íons Cu(II) e Ni, Al e Fe complexados às substâncias húmicas Utilizou-se o procedimento de titulação descrito acima. Antes da adição da solução de cobre, deixou-se o sistema bombeando por cerca de cinco minutos para condicionamento da membrana. A seguir, filtrou-se a primeira alíquota (cerca de 2 mL), a qual é correspondente ao tempo zero, ou seja, antes da adição da solução de cobre. Essa alíquota contém uma pequena quantidade de cobre e dos metais níquel, alumínio e ferro, originalmente presentes na matéria orgânica, correspondente à fração livre (não complexada a MOA) mais aquela fração ligada a MON, com tamanho molecular menor que 1 kDa. Volumes de 100µL a 5,0 mL de solução padrão de Cu(II) 9,45 10-3 mol L-1 foram adicionados à solução até concentração em Cu(II) de 4,47 10-4 mol L-1 . Depois de alcançado cada equilíbrio, em 10 min , e com agitação permanente, alíquotas (cerca de 2 mL) das frações da solução foram coletadas contendo íons cobre isolados pelo procedimento de filtração mais os metais níquel, alumínio e ferro, correspondentes as frações dos metais não complexadas e trocadas pelos íons Cu(II). Os filtrados foram acidificados com solução diluída de HNO3 e em seguida os metais determinados por GFAAS (ROCHA et al., 2002). ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado- IQAr-UNESP- 2003 Experimental 37 FIGURA 6– Sistema de ultrafiltração em fluxo tangencial utilizado na determinação de parâmetros de complexação de Cu(II) por matéria orgânica aquática, substâncias húmicas extraídas de amostras de água e de solos de diferentes regiões brasileiras Técnica do eletrodo íon seletivo (EIS) Eletrodo íon seletivo de Cu(II) (ORION 94-29) e o eletrodo de referência de dupla junção foram utilizados na determinação da concentração de íons Cu(II) livres durante a titulação. O eletrodo de Ag/AgCl foi utilizado como referência, com câmara externa contendo solução de KNO3 10% (m/v), isolado da amostra com material de referência interno, contento solução saturada de AgCl. O pH foi monitorado durante a titulação utilizando um eletrodo combinado de pH conectado a um pHmetro ORION. Antes de cada experimento uma curva de calibração foi construída para testar a inclinação do eletrodo seletivo 38 (25 oC a inclinação foi de 29,6 mV). Os experimentos foram feitos sob condição de luz constante (TOWN & POWELL, 1993) e em volume de 50 mL de solução de SH 100 mg L-1 ou de água natural, o pH foi ajustado em 5,0 com solução de NaOH 0,1 mol L-1 e força iônica em 0,1 mol L-1 com NaNO3. Todos os experimentos foram feitos a 25,0 ± 0,1 oC. As titulações foram feitas em copos pyrex de 100 mL, cobertos com tampa de teflon contendo 5 orifícios para a inserção dos eletrodos, o borbulhador de nitrogênio e a microbureta. Uma microbureta de vidro RADELKIS OP 936, de 10 mL foi utilizada para adicionar a solução de íons Cu(II). O oxigênio dissolvido era previamente removido da solução, no início da titulação, borbulhando nitrogênio ultrapuro (99,99%) na solução por 15 minutos e essa atmosfera inerte era mantida acima da solução durante o experimento (ABATE & MASINI, 1999). A concentração de íons Cu(II) livres foi medida pela adição de alíquotas de 25 a 125 µL da solução padrão de Cu(II) 9,45 10-3 até concentração em Cu(II) de 1,5 10-4 mol L-1. O pH foi mantido constante pela adição de solução 0,1 mol L-1 e 0,01 mol L-1 de NaOH, para neutralização dos prótons liberados pela reação de complexação e por aqueles adicionados via solução padrão ácida de Cu(II) (TOWN & POWELL, 1993; ANTONELLI et al., 2001). ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado- IQAr-UNESP- 2003 Experimental 39 FIGURA 7– Sistema potenciométrico utilizando eletrodo íon seletivo de Cu(II) para a determinação de parâmetros de complexação de Cu(II) por matéria orgânica aquática, substâncias húmicas extraídas de amostras de água e de solo de diferentes regiões brasileiras 2.2.7 - Determinação dos metais Cobre, alumínio, ferro e níquel foram determinados utilizando espectrometria de absorção atômica em forno de grafite (GFAAS) utilizando soluções padrão mistas Titrisol-MERCK de acordo com as recomendações do fabricante. 40 2.2.8 - Determinação dos teores de carbono orgânico As concentrações de carbono foram determinadas pelo método de combustão catalítica sob atmosfera de oxigênio, utilizando analisador de carbono SHIMADZU, modelo TOC 5000A. 2.2.9 - Determinação da composição elementar A composição elementar das amostras de SHA e SHS foi determinada em relação ao conteúdo de carbono, hidrogênio, nitrogênio e oxigênio em analisador elementar CHNSO-CE Instruments, PERKIN ELMER, modelo EA 1110. 2.2.10 - Espectroscopia na região do infravermelho Os espectros na região do infravermelho foram obtidos de pastilhas preparadas da mistura de brometo de potássio seco a 120 oC com amostras de substâncias húmicas liofilizadas. As pastilhas foram obtidas submetendo-se essa mistura à pressão de 10t cm-2 em pastilhador de 14 mm de diâmetro. As medidas foram feitas utilizando-se espectrômetro NICOLET, modelo Impact 400(região de 400 a 4000 cm-1). 3 - RESULTADOS E DISCUSSÃO 42 3.1 - CARACTERIZAÇÕES 3.1 1 - Carbono orgânico total (COT) Os resultados de carbono orgânico total estão apresentados na Tabela 3 e foram encontrados teores de COT no intervalo de 2,8 a 46,1 mg C L-1 Tabela 3 – Informações gerais e teores de carbono orgânico total de amostras de matéria orgânica aquática (MOA), substâncias húmicas aquáticas (SHA) e de solos (SHS) coletadas em diferentes regiões brasileiras Denominação das amostras Localização Método de extração COT(mg L-1) IS Rio Itapitanguí – Iguape (SP) Amostra original 38,7 ± 1,2 IS-XAD 8 XAD-8 34,2 ± 0,7 IR Rio Itapanhaú - Bertioga (SP) Amostra original 41,6 ± 0,5 IR-XAD 8 XAD-8 36,1 ± 1,5 RN Amostra original 44,0 ± 0,8 RN-XAD 8 Rio Negro (AM) XAD-8 46,1 ± 0,7 RNS- 1(água preta) Solo de Carvoeiro 1 Rio Negro (AM) IHSS 20,9 ± 0,6 RNS- 2 (água branca) Solo de Araçá 1 Rio Negro (AM) IHSS 27,0 ± 0,8 RF Rio São Francisco (MG) Amostra original 5,1 ± 0,3 RC Rio Cuiabá (MT) Amostra original 2,8 ± 0,3 ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado – IQAr-UNESP – 2003 Resultados e discussão 43 As amostras de MON (IS, IR e RN) e SHA (IS-XAD 8, IR-XAD 8 e RN- XAD 8) apresentaram maiores teores de carbono orgânico total. Enquanto as amostras de MON (RF e RC) apresentaram menores teores de carbono orgânico. De acordo com THURMAN (1985a), a distribuição de carbono orgânico varia em águas naturais. Nos rios, o carbono orgânico depende do tamanho do rio, clima ,vegetação e estações do ano. Com concentração variando de 5 a 60 mg L-1. 3.1.2 - Composição elementar As razões atômicas H/C e C/N geralmente têm sido utilizadas para estimativa do grau de aromaticidade e de humificação de substâncias húmicas, respectivamente (FRIMMEL, 1990). A Tabela 4 lista os resultados da composição elementar e razões molares H/C e C/N para SH extraídas de amostras de água e de solos de diferentes regiões. Quanto menor a razão H/C, maior a aromaticidade e quanto maior a razão C/N, maior o estado de humificação do material. Existem similaridades entre os valores das razões H/C das diferentes amostras de SHA e SHS, os quais estão próximos aos valores disponíveis na literatura indicando elevada aromaticidade (STEVENSON, 1994). Dentre todas as amostras, devida à menor razão molar H/C, RN-XAD 8 pode ser caracterizada como mais aromática. As amostras IS-XAD 8 e IR-XAD 8 apresentaram elevadas razões molares C/N indicando serem as amostras mais humificadas. 44 Tabela 4 – Composição elementar (%), razões molares H/C e C/N de substâncias húmicas extraídas de amostras de águas (SHA) e de solos (SHS) coletadas em diferentes regiões brasileiras Amostras C H O N H/C C/N IS-XAD 8 39,2 5,1 45,1 0,9 1,6 52,7 IR-XAD 8 37,0 4,3 41,0 1,2 1,4 35,4 RN-XAD 8 46,9 4,3 41,1 3,0 1,1 18,4 RNS-1 20,5 3,0 38,4 1,4 1,8 16,8 RNS-2 23,5 3,3 31,9 2,3 1,7 12,0 As demais amostras apresentaram comportamento semelhante quanto ao grau de humificação e, quanto às amostras de solo, RNS-1 e RNS-2, não foram caracterizadas diferenças entre os valores de razão C/N. 3.1.3 - Infravermelho A Figura 7 mostra os espectros na região do infravermelho para as substâncias húmicas aquáticas e de solo. Os espectros apresentam bandas largas, comuns nos espectros de substâncias húmicas, atribuídas à extensiva superposição de absorções individuais (POPPI & TALAMONI, 1992). As bandas largas de absorção na região de 3400 cm-1 podem ser atribuídas ao estiramento OH de fenóis e/ou ácidos carboxílicos e /ou estiramento NH de aminas. Bandas na região de 2900 cm-1 indicam a presença de estiramento CH de grupos alifáticos. As bandas nas regiões de 1630 e 1720 cm-1 são devidas a vibrações de carbonilas de grupos carboxilatos e/ou cetonas. Picos em torno de 1385 cm-1 e bandas na região ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado – IQAr-UNESP – 2003 Resultados e discussão 45 de 1035-1100 cm-1 estão associados a deformações do grupo carboxilato e estiramento CO de álcoois, respectivamente (ARAÚJO et al., 2002). 46 Figura 7– Espectros na região do infravermelho para as substâncias húmicas extraídas de amostras de água e de solos coletadas em diferentes regiões brasileiras RNS-2 IR-XAD 8 IS-XAD 8 RN-XAD 8 RNS-1 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 Número de onda (cm-1) Tr an sm itâ nc ia (u . a .) ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado – IQAr-UNESP – 2003 Resultados e discussão 47 3.2 - DETERMINAÇÃO DOS COEFICIENTES DE RETENÇÃO DA MEMBRANA DE 1 kDa Nos estudos de complexação de metal pela matéria orgânica utilizando o procedimento de Ultrafiltração tangencial (UF) é preciso que a retenção do ligante e do complexo pela membrana seja máxima (RL= 1) e a retenção do íon metálico, o qual passa pela membrana seja mínima (RM= 0). O coeficiente de retenção (R) das espécies pode ser calculado utilizando a equação [ ] [ ] [ ]s fs X X XXR − = onde MLLMX ,,= e os sobrescritos s e f referem-se as concentrações de X na solução e nos filtrados, respectivamente (STAUB et al., 1984). Os testes para determinação da capacidade de retenção do ligante foram feitos traçando curvas analíticas com amostras de SHA e SHS e lendo as absorbâncias nos filtrados e nas soluções originais por espectrofotometria de absorção molecular em 254 nm. Os valores de retenção do ligante pela membrana, das amostras analisadas a pH 5,0, foram superiores a 0,98. Os testes para determinação da capacidade de retenção de cobre foram feitos por espectrometria de absorção atômica em forno de grafite fazendo adições de concentração conhecida do metal em solução, nas mesmas condições experimentais, porém sem substâncias húmicas (“solução branco”). Em seguida, foi determinada a concentração de cobre 48 na “solução branco” e no filtrado. O coeficiente médio de retenção de cobre na membrana em pH 5,0, foi menor que 0,012. VAN Den BERGH et al., (2001) determinaram os coeficientes de retenção em membranas de 1 kDa para íons metálicos, em pH 4,0-4,8, menores que 0,02 e maiores que 0,95 para retenção das substâncias húmicas. Esses resultados corroboram com os deste trabalho, os quais mostram a eficiência do procedimento de ultrafiltração na diferenciação do metal complexado pela matéria orgânica (retido na membrana) do metal isolado no filtrado. 3.3 - COMPLEXAÇÃO DE ÍONS Cu(II) POR MATÉRIA ORGÂNICA AQUÁTICA, SUBSTÂNCIAS HÚMICAS AQUÁTICAS E DE SOLOS Os parâmetros de complexação de íons Cu(II) por MOA, SHA e SHS foram determinados por Ultrafiltração em fluxo tangencial e único estágio (UF-FT) e os resultados comparados com o procedimento potenciométrico utilizando eletrodo íon seletivo (EIS) de Cu(II). Para fins de comparação, os experimentos foram feitos nas mesmas condições experimentais, como pH, força iônica e concentração do ligante. 3.3.1 - Capacidade de complexação (CC) A CC é um importante parâmetro de qualidade de águas, correspondendo à concentração do íon metálico, o qual poderá ser adicionado a um corpo aquático sem que a espécie iônica seja predominante (FLORENCE, 1986) ou a concentração disponível de sítios ligantes (MORRISON & FLORENCE, 1989; NEUBECKER & ALLEN, 1983). ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado – IQAr-UNESP – 2003 Resultados e discussão 49 Na titulação com o íon metálico, ocorre primeiro a saturação dos sítios ligantes mais fortes e depois a saturação dos mais fracos. As Figuras 8 e 9 são curvas típicas obtidas a partir da titulação (em triplicata) de amostras de MOA, SHA e SHS com solução padrão de Cu(II) utilizando procedimento da Ultrafiltração em fluxo tangencial e potenciometria com eletrodo íon seletivo. A determinação da capacidade de complexação (CC), para ambos os métodos, foram obtidas curvas representando graficamente a concentração do metal livre (mmol L-1) versus a concentração do metal total (mmol L-1). A curva apresenta uma mudança de inclinação na parte final e a CC foi obtida pela interseção das duas seções lineares do gráfico (FLORENCE et al., 1992; EINAX & KUNZE, 1996; NEUBECKER & ALLEN, 1983; TOWN & POWELL,1993). 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 IS - XAD 8 RN - XAD 8 IR - XAD 8 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 IS - XAD 8 RN - XAD 8 IR - XAD 8 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 IS - XAD 8 RN - XAD 8 IR - XAD 8 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 IS - XAD 8 RN - XAD 8 IR - XAD 8 Figura 8 – Capacidade de complexação de substâncias húmicas aquáticas extraídas com resina XAD-8, de amostras de água do Rio Itapitanguí (Iguape-SP), Rio Itapanhaú (Bertioga-SP) e Rio Negro-AM para íons Cu(II), utilizando a técnica de ultrafiltração tangencial. Condições: 25 ºC, SHA = 100 mg L-1, pH 5,0 e I = 0,1 mol L-1 NaNO3 Cu(II) total (mmol L-1) [C u( II) ] l iv re (m m ol L -1 ) 50 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 IS-XAD 8 IR-XAD 8 RN-XAD 8 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 IS-XAD 8 IR-XAD 8 RN-XAD 8 Figura 9 – Capacidade de complexação de substâncias húmicas aquáticas extraídas com resina XAD-8, de amostras de água do Rio Itapitanguí (Iguape-SP), Rio Itapanhaú (Bertioga-SP) e Rio Negro-AM para íons Cu(II), utilizando eletrodo íon seletivo de cobre. Condições: 25 ºC, SHA = 100 mg L-1, pH 5,0 e I = 0,1 mol L-1 NaNO3 3.3.2 - Constante de estabilidade condicional (K) Para estimar a constante de estabilidade condicional (K) dos complexos Cu-MOA, Cu-SHA, Cu-SHS, os dados experimentais foram tratados matematicamente pelo método de Scatchard, como exemplificados nas Figuras 11 e 12. Esse método gráfico utiliza linearizações para o modelo de formação de complexo 1:1, considera um número finito de Cu(II) total (mmol L-1) [C u( II) ] l iv re (m m ol L -1 ) ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado – IQAr-UNESP – 2003 Resultados e discussão 51 diferentes sítios complexantes presentes na MON, com diferentes valores de constante de equilíbrio e inexistência de interações entre esses sítios (SILVA,1996; SOARES & VASCONCELOS, 1994; PARMEGGIANI & MASINI, 2003). A concentração do metal complexado, [ ]ML , é calculada a partir do balanço de massa: [ ] [ ] [ ]( )1MMML total −= . A fração de sítios de ligação if é definida como ti i i L ML f ][ ][ = ( )2 onde [ ]tL é a concentração total dos sítios de complexação, expressa em mol L-1. No caso de ligantes de ocorrência natural, como as SH, nos quais a massa molar não é definida por um único valor e a concentração total dos sítios de complexação não é conhecida a priori, expressa-se à fração de sítios ligantes como ii CC P MLf == }{ ][ ( )3 onde { }P é a concentração do ligante expressa em g L-1 e iCC é chamada capacidade complexante, a qual representa o número de mol de sítios de complexação da classe ( )i por grama do ligante. A partir das equações (1), (2), a expressão para a constante de equilíbrio condicional iK em pH e força iônica constante i i i LM ML K ]][[ ][ = ( )4 e a isoterma de adsorção de Langmuir ])[1( ][ }/{][ MK MKCC PMLf i ii ii + == ( )5 , 52 pode-se deduzir a seguinte expressão de acordo com a proposta de Scatchard (BUFFLE, 1990; ABATE & MASINI, 1999) iiii i MLKLK M ML ][][ ][ ][ −= ( )6 Este tratamento matemático é utilizado para interpretar curvas de titulação de ligantes por íons metálicos representando graficamente ][ ][ M ML em função de ][ML . Para complexos com apenas um tipo de sítio ligante é obtida uma função linear (Figura 10), K corresponde ao módulo do coeficiente angular e a interseção com o eixo das abcissas é igual ao produto de [ ]L por K (SILVA,1996). Quando dois tipos de sítios significativamente distintos estão presentes, a curva obtida tem forma côncava e pode ser dividida em dois segmentos lineares (Figuras 11 e 12), onde os valores de 1K e 2K são estimados pelo módulo da inclinação das retas 1 e 2, respectivamente. Pela interseção da reta 1 com o eixo das abcissas e da reta 2 com o eixo das ordenadas, os valores de 1L e 2L são estimados (ABATE & MASINI, 1999; BUFFLE, 1984). A soma dos valores de 1L e 2L é próxima aos valores obtidos para CC (SOARES & VASCONCELOS, 1994). Os resultados de CC, K1 e K2 obtidos por UF-FT e EIS estão apresentados na Tabela 5. Os valores de K1 e K2 determinados pelo procedimento de ultrafiltração e aqueles determinados por eletrodo íon seletivo, ambos em pH 5,0, foram relativamente menores que os citados na literatura, determinados em maiores valores de pH. SILVA (1996), determinou por EIS e pelo modelo de Scatchard valores de log K1 7,3 a 8,7 e log K2 5,6 a 6,4 em amostras do Rio Atibaia ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado – IQAr-UNESP – 2003 Resultados e discussão 53 (SP) em pH 6,8 e força iônica 0,1 mol L-1 com NaNO3. Valores de log K1 7,1 a 7,8 e log K2 5,5 a 6,0 em amostras de ácidos húmicos em pH 6,0 e força iônica de 0,02 mol L-1 com NaNO3 foram determinados por ABATE & MASINI (1999). Enquanto resultados determinados por SPOSITO (1981) de log K1 3,88 e log K2 2,11 em pH 5,0 e força iônica 0,1 mol L-1 com KClO4 mostraram-se semelhantes aos determinados nesse trabalho. Essa variabilidade de valores das constantes de estabilidade condicional é uma constatação da importância do controle dos parâmetros, como pH e força iônica, os quais influenciam na disponibilidade dos sítios de ligação durante um experimento. Além disto, fica evidente que resultados são comparáveis quando obtidos nas mesmas condições experimentais. A validação da metodologia de ultrafiltração em fluxo tangencial, proposta neste trabalho, foi feita comparando as médias das capacidades de complexação para cobre(II) determinadas por UF e àquelas obtidas por eletrodo íon seletivo utilizando o teste de student t, de acordo com a Tabela 6. Os resultados mostram que não existem diferenças entre os valores das capacidades de complexação determinados por ambos os procedimentos (MILLER & MILLER, 1989). Entretanto, de acordo com MATHUTHU & EPHRAIM (1993) pequenas diferenças nos resultados podem estar associadas às inerentes características experimentais de cada técnica aplicada. Ou seja, por EIS, embora a concentração do metal esteja próxima ao limite de detecção da técnica (cerca de 10-6 mol L-1) (Figura 13), a espécie Cu(II) é determinada in situ. Na ultrafiltração, a determinação das espécies metálicas depende dos limites de detecção das técnicas espectrométricas utilizadas. 54 Tabela 5- Capacidade de complexação (mmol Cu(II) g-1 COT) e constante de estabilidade condicional de matéria orgânica aquática, substâncias húmicas aquáticas e de solosa de amostras coletadas em diferentes regiões brasileiras Eletrodo íon seletivo (EIS) Ultrafiltração (UF-FT) Amostras CCb log K1 c log K2 c CCb log K1 c log K2 c IS 1,09±0,20 3,05 1,50 1,25±0,07 3,13 1,59 IS-XAD 8 1,12±0,18 3,80 1,92 1,23±0,11 4,10 2,13 IR 1,19±0,02 2,42 1,17 1,18±0,05 2,30 1,79 IR-XAD 8 1,21±0,04 3,45 1,85 1,12±0,05 4,20 1,36 RN 1,58±0,20 4,23 2,00 1,81±0,30 4,20 1,75 RN-XAD 8 1,27±0,04 4,22 2,15 1,44±0,04 4,21 1,38 RNS-1 1,50±0,30 4,37 2,16 1,99±0,18 4,35 2,60 RNS-2 1,44±0,25 4,13 2,53 1,52±0,24 3,00 1,49 RF x x x 0,37±0,02 x x RC x x x 0,17±0,01 x x a Condições: 25ºC, pH 5,0, I = 0,1 mol L-1 NaNO3; b Obtida pela interseção das duas seções lineares da curva [Cu]livre=f([Cu]total) c Obtido pelo método de Scatchard [Cu]ligado/[Cu]livre=f([Cu]ligado). ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado – IQAr-UNESP – 2003 Resultados e discussão 55 As substâncias húmicas extraídas de amostras de solos apresentaram maiores valores de CC em relação à matéria orgânica aquática e substâncias húmicas aquáticas. Do ponto de vista prático, para estudos ambientais, outra importante constatação experimental foram os valores da CC da matéria orgânica natural aquática e das SHA serem similares, indicando que o procedimento de extração utilizando resina acrílica XAD-8 não modificou significativamente as características complexantes originais das amostras. Tabela 6 – Validação da metodologia de ultrafiltração tangencial (proposta) e eletrodo íon seletivo (referência) pela comparação das médias das capacidades de complexação (CC) de substâncias húmicas extraídas de amostras de água e de solos coletadas em diferentes regiões brasileiras Amostras Capacidade de complexaçãoa EIS UF-FT t b IS 1,09±0,20 1,25±0,07 -1,31 IS-XAD 8 1,12±0,18 1,23±0,11 -0,90 IR 1,19±0,02 1,18±0,05 0,32 IR-XAD 8 1,21±0,04 1,12±0,05 2,44 RN 1,58±0,20 1,81±0,30 -1,11 RN-XAD 8 1,27±0,04 1,44±0,04 -5,21 RNS-1 1,50±0,30 1,99±0,18 -4,65 RNS-2 1,44±0,25 1,52±0,24 -0,40 a Média e desvio padrão (determinações em triplicata); b Teste de student t para n=4, tcrítico=2,78 a 95%(Miller & Miller, 1989) 56 De acordo com STEVENSON (1994), a determinação das constantes de estabilidade condicional pelo método de Scatchard não é aplicável a baixas concentrações de Cu(II), pois K1 depende de valores medidos no início da titulação, onde ocorre baixa saturação dos sítios ligantes. Foi verificado para amostras com baixas concentrações de carbono orgânico, < 6 mg L-1, como as amostras do Rio São Francisco-MG e do Rio Cuiabá-MT, larga dispersão dos valores experimentais. Devido a essa limitação, as respectivas constantes não foram determinadas. Semelhantes resultados foram encontrados por SOARES & VASCONCELOS (1994) para concentrações de ácidos fúlvicos no intervalo de 1-5 mg L-1 . Figura 10 – Gráfico teórico do modelo de Scatchard com um sítio de ligação [ML] [M L] /[M ] ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado – IQAr-UNESP – 2003 Resultados e discussão 57 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0 1 2 3 4 5 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0 1 2 3 4 5 Figura 11 – Gráfico do modelo de Scatchard utilizando a técnica de Ultrafiltração para substâncias húmicas extraídas de amostras de água do Rio Itapanhaú (Bertioga-SP). Condições: 25ºC, IR-XAD 8 = 100 mg L-1, pH 5,0 e I = 0,1 mol L-1 NaNO3 [Cu-L] (mmol L-1) [C u- L] /[C u( II) ] liv re K1 K2 58 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Figura 12 – Gráfico do modelo de Scatchard utilizando a técnica de utrafiltração tangencial para substâncias húmicas extraídas de amostras de solos do Rio Negro-AM. Condições: 25ºC, RNS-1 = 100 mg L-1, pH 5,0 e I = 0,1 mol L-1 NaNO3 [Cu-L] (mmol L-1) [C u- L] /[C u( II) ] liv re ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado – IQAr-UNESP – 2003 Resultados e discussão 59 Figura 13 – Curva analítica do eletrodo íon seletivo de Cu(II). Condições: 25ºC, I = 0,1 mol L-1 NaNO3 3.4 - CORRELAÇÃO ENTRE A CAPACIDADE DE COMPLEXAÇÃO (CC) E CARBONO ORGÂNICO TOTAL (COT) Baseado nos resultados de CC (Tabela 5) e nos valores de COT (Tabela 3) verificou-se a existência de correlação entre os dois parâmetros pelo procedimento de ultrafiltração proposto e eletrodo íon seletivo (Figuras 14 e 15). Correlações 0,933 e 0,832 foram obtidas entre CC e COT pelos dois diferentes métodos utilizados. Resultados semelhantes foram obtidos por SOARES & VASCONCELOS, 1994. y = -29,607x + 286,22 R2 = 0,9971 0 50 100 150 200 250 0 2 4 6 - log [Cu] E (m V) y = -29,607x + 286,22 R2 = 0,9971 0 50 100 150 200 250 0 2 4 6 - log [Cu] E (m V) 60 Figura 14 – Correlação entre a capacidade de complexação de Cu(II) determinada por ultrafiltração tangencial em função da concentração de carbono orgânico total nas amostras de matéria orgânica aquática, substâncias húmicas aquáticas e de solos de diferentes regiões brasileiras y = 0,0166x - 0,0041 R2 = 0,9329 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 0 1 2 3 4 5 COT (mmol L-1) C C (m m ol L-1 ) y = 0,0166x - 0,0041 R2 = 0,9329 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 0 1 2 3 4 5 COT (mmol L-1) C C (m m ol L- y = 0,0166x - 0,0041 R2 = 0,9329 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 0 1 2 3 4 5 y = 0,0166x - 0,0041 R2 = 0,9329 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 0 1 2 3 4 5 COT (mmol L-1) C C (m m ol L-1 ) y = 0,0166x - 0,0041 R2 = 0,9329 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 0 1 2 3 4 5 y = 0,0166x - 0,0041 R2 = 0,9329 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 0 1 2 3 4 5 COT (mmol L-1) C C (m m ol L- ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado – IQAr-UNESP – 2003 Resultados e discussão 61 Figura 15 – Correlação entre a capacidade de complexação de Cu(II) determinada por eletrodo íon seletivo em função da concentração de carbono orgânico total nas amostras de matéria orgânica aquática, substâncias húmicas aquáticas e de solos de diferentes regiões brasileiras 3.5 – DETERMINAÇÃO DAS CONSTANTES DE TROCA POR ULTRAFILTRAÇÃO TANGENCIAL Nos ambientes naturais várias espécies metálicas estão presentes como formas livres ou complexadas por ligantes orgânicos ou inorgânicos. Logo, durante o processo de complexação, há uma natural competição entre essas espécies pelos sítios ligantes disponíveis. Um melhor entendimento dos fatores os quais influem no destino, transporte e acúmulo de espécies metálicas é importante na avaliação do comportamento de metais em sistemas aquáticos. y = 0,0086x + 0,0169 R2 = 0,8325 0,01 0,03 0,05 0,07 0,09 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 COT (mmol L-1) C C (m m ol L- 1 ) y = 0,0086x + 0,0169 R2 = 0,8325 0,01 0,03 0,05 0,07 0,09 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 COT (mmol L-1) C C (m m ol L- 1 ) 62 Utilizando-se o sistema de ultrafiltração tangencial equipado com membrana de 1 kDa (Figuras 2 e 6) e aplicando um modelo de cálculo, é possível estimar as constantes termodinâmicas de troca entre espécies metálicas complexadas às SH (BURBA et al., 2001; ROCHA et al., 2002). Esse modelo foi empregado no tratamento dos dados para determinação de constantes de troca entre íons Cu(II) adicionados e espécies metálicas originalmente complexadas por substâncias húmicas. Considerando que no estado de equilíbrio a lei de ação das massas é obedecida, de acordo com a equação 1, é possível estimar os valores das constantes de troca entre as espécies metálicas Ni, Al e Fe por íons Cu(II). MCuSHCuMSH +−↔+− ]][[ ]][[ CuMSH MCuSHKtroca − − = )1( (as cargas são omitidas para simplificação) As concentrações ][M e ][Cu são determinadas nas alíquotas dos filtrados (cerca de 2 mL). ][][][ MMMSH total −=− . A concentração de metal total, totalM ][ , é a concentração de metal originalmente complexado pelas SH determinada na solução original; ][][][ CuCuCuSH total −=− e totalCu][ é o somatório das concentrações de íons Cu(II) adicionados em cada intervalo de tempo. A partir dos dados das Figuras 16 e 17 foram calculados os valores das constantes de troca listados na Tabela 8, os quais caracterizam a troca dos metais Al, Fe e Ni complexados pelas SH e íons Cu(II). ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado – IQAr-UNESP – 2003 Resultados e discussão 63 Figura 16 – Equilíbrio de troca entre íons Cu(II) e espécies SH-Metal, após complexação por substâncias húmicas extraídas de amostras de solo do Rio Negro-AM. Condições: 25ºC, RNS-2 = 100 mg L-1, pH 5,0 e I = 0,1 mol L-1 NaNO3 De acordo com a equação 1, o valor da constante de troca é inversamente proporcional à estabilidade do complexo ),,( NiFeAlMMSH =− . Ou seja, altos valores de constante de troca indicam menor estabilidade do complexo MSH − , enquanto baixos valores indicam maior estabilidade. 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 • Ni Fe ♦ Al [Cu2+]livre / [Cu-L] [M ] li vr e / [M -L ] 64 Figura 17 – Equilíbrio de troca entre íons Cu(II) e espécies SH-Metal, após complexação por substâncias húmicas extraídas de amostras de água do Rio Negro-AM. Condições: 25 ºC, RN-XAD 8 = 100 mg L-1, pH 5,0 e I = 0,1 mol L-1 NaNO3 0,6 0,8 1,0 1,2 0,01 0,03 0,05 0,07 As constantes de troca entre íons Cu(II) e o Fe foram menores que 1 nas amostras RNS-1 e RNS-2, indicando maior estabilidade desses complexos SH-Fe que os complexos SH-Cu. Para alumínio e níquel as constantes de troca foram superiores a 1 em todas as amostras, indicando menor estabilidade dos complexos SH-Al e SH-Ni que os complexos SH-Cu. No caso do níquel ainda, as constantes de troca foram bem superiores às constantes dos íons Al e Fe, indicando serem os complexos SH-Ni os de menor estabilidade, ou seja, o níquel nas amostras é mais facilmente trocado por íons Cu(II) do que alumínio e ferro. Os resultados das constantes de troca dos complexos, apresentados na Tabela 7, permitem estabelecer a seguinte ordem de Ktroca para os • Ni Fe ♦ Al [Cu2+]livre / [Cu-L] [M ] li vr e / [M -L ] ROMÃO, L. P. C. – Tese de doutorado – IQAr-UNESP – 2003 Resultados e discussão 65 metais: Fe