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Danilo Antonio Giarola
“ESTUDO SOBRE AMOSTRAGEM DE NH
3
ATMOSFÉRICA
UTILIZANDO O COMPÓSITO SiO
2
/ZrO
2
/FOSFATO”
Londrina
2009
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Danilo Antonio Giarola
“ESTUDO SOBRE AMOSTRAGEM DE NH
3
ATMOSFÉRICA
UTILIZANDO O COMPÓSITO SiO
2
/ZrO
2
/FOSFATO”
Dissertação apresentada ao Curso de Pós-
Graduação, em Química dos Recursos Naturais,
da Universidade Estadual de Londrina, como
requisito parcial à obtenção do título de Mestre.
Orientadora
: Prof.
a
Dr
a
. Maria Cristina Solci
Co-orientador: Prof. Dr. Antonio Alberto da Silva
Alfaya
Londrina
2009
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Catalogação na publicação elaborada pela Divisão de Processos Técnicos da
Biblioteca Central da Universidade Estadual de Londrina.
Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP)
G435e Giarola, Danilo Antonio.
Estudo sobre amostragem de NH
3
atmosférica utilizado o
compósito SiO
2
/ZrO
2
/fosfato / Danilo Antonio Giarola. –
Londrina, 2009.
79 f. : il.
Orientador: Maria Cristina Solci.
Co-orientador: Antonio Alberto da Silva Alfaya.
Dissertação (Mestrado em Química dos Recursos Naturais)
Universidade Estadual de Londrina, Centro de Ciências Exatas,
Programa de Pós-Graduação em Química dos Recursos Naturais,
2009.
Inclui bibliografia.
1. Química analítica – Teses. 2. Amônia – Concentração – Teses.
Danilo Antonio Giarola
“ESTUDO SOBRE AMOSTRAGEM DE NH
3
ATMOSFÉRICA
UTILIZANDO O COMPÓSITO SiO
2
/ZrO
2
/FOSFATO”
Dissertação apresentada ao Curso de Pós-
Graduação, em Química dos Recursos Naturais,
da Universidade Estadual de Londrina, como
requisito parcial à obtenção do título de Mestre.
Orientadora: Prof.
a
Dr
a
. Maria Cristina Solci
Co-orientador: Prof. Dr. Antonio Alberto da Silva
Alfaya
COMISSÃO EXAMINADORA
Londrina, 31 de março de 2009.
GIAROLA, Danilo Antonio. Estudo sobre amostragem de NH
3
atmosférica utilizando o compósito SiO
2
/ZrO
2
/fosfato. 2009. 79f.
Dissertação (Mestrado em Química dos Recursos Naturais) –
Universidade Estadual de Londrina, Londrina. 2009.
RESUMO
A amônia é um gás incolor à temperatura ambiente, que possui um odor
extremamente forte e é consideravelmente mais leve que o ar. Diversas são as
fontes de amônia para a atmosfera e estudos mostram que a maior delas é a
decomposição de materiais orgânicos e dejetos de animais. Devido às suas diversas
propriedades, a amônia apresenta vasta aplicação, como na fabricação de
fertilizantes, como agente neutralizador na indústria do petróleo e como gás de
refrigeração em sistemas industriais. Em ambientes fechados, causa danos à saúde
humana e de animais. Em instalações avícolas, comporta-se como gás altamente
irritante para as aves, devido à sua ação, causando estresse às aves, o que leva à
perda de peso, podendo até provocar a morte. Muitos materiais possuem
capacidade de adsorção de espécies químicas e são utilizados na amostragem de
espécies atmosféricas. O compósito SiO
2
/ZrO
2
/Fosfato (SPZ) foi utilizado devido à
sua característica peculiar em adsorver quantidades estequiométricas de amônia
gasosa muito rapidamente à pressão atmosférica. Neste estudo, empregou-se a
geração de atmosfera padrão de amônia através de tubo de permeação, para
verificar a eficiência adsortiva do compósito SPZ. A quantificação foi realizada
através dos métodos gravimétrico, espectrofotométrico e eletroquímico. Vários
parâmetros foram estudados de modo a se obter a melhor eficiência adsortiva do
SPZ. Desta forma, optou-se por utilizar tubos de 7 cm de comprimento e 0,3 cm de
diâmetro interno, recheados de SPZ, bem como vazão de gás de arraste de 36 L h
-1
.
A eficiência de adsorção do compósito SPZ foi de 60%, durante um tempo de
amostragem de 5 minutos. Como resultado, obteve-se um valor de 0,79 ppm de
amônia em instalação avícola.
Palavras-chave: Amônia, atmosfera padrão, composito SiO
2
/ZrO
2
/Fosfato (SPZ)
GIAROLA, Danilo Antonio. Estudo sobre amostragem de NH
3
atmosférica utilizando o compósito SiO
2
/ZrO
2
/fosfato. 2009. 79f.
Dissertação (Mestrado em Química dos Recursos Naturais) –
Universidade Estadual de Londrina, Londrina. 2009.
ABSTRACT
The ammonia is a colorless gas at room temperature, which has an extremely strong
odor and is considerably lighter than air. There are several sources of ammonia to
the atmosphere and studies show that most of them come from the decomposition of
organic materials and the waste of animals. Due to its various properties, the
ammonia presents a wide application and it is used in the manufacture of fertilizers,
as a neutralizer agent in the oil industry and as a cooling gas in industrial systems.
Indoors, it causes damage to the human health and to animals. In poultry facilities,
the ammonia behaves as a gas highly irritating to the birds because of its action,
causing stress to the birds, which leads them to a weight loss or even to death. Many
materials are capable of adsorption of chemical species and are used for sampling of
atmospheric species. The composite SiO
2
/ZrO
2
/Fosfate (SPZ) was used due to its
special characteristic of adsorbating stoichiometric quantities of ammonia gas at
atmospheric pressure very quickly. This study used the generation of standard
ammonia atmosphere through permeation tube, in order to check the adsorptive
efficiency of the composite SPZ. The quantification was performed by gravimetric,
spectrophotometric and electrochemical methods. Several parameters were studied
in order to obtain the best adsorptive efficiency of the SPZ. Thus, we opted to use
tubes of 7 cm in length and 0.3 cm in internal diameter, filled with SPZ, and a carrier
gas flow of 36 L h
-1
. The efficiency of adsorption of the composite SPZ was 60%,
during a sampling time of 5 minutes. As a result, we obtained a value of 0.79 ppm of
ammonia in poultry facilities.
Keywords: ammonia, standard atmosphere, composite SiO
2
/ZrO
2
/Fosfate (SPZ)
ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO
Este trabalho está estruturado em três capítulos, conclusão, referências e
anexos.
No Capítulo I é descrito a química da amônia, seu elemento precursor -
nitrogênio, bem como as propriedades físicas, fontes, sorvedouros, comportamento
na atmosfera e em instalações avícolas. São várias as considerações sobre o
compósito SiO
2
/ZrO
2
/Fosfato (SPZ), adsorvente de amônia e um dos focos de
estudo deste trabalho, suas características e amostragem.
No segundo capítulo é descrito o processo de geração padrão de atmosfera
de NH
3
, todas as etapas para a montagem da instalação geradora. É apresentado
um pequeno relato sobre os métodos gravimétrico, espectrofotométrico e
eletroquímico utilizados para quantificar a NH
3
gerada em atmosfera padrão bem a
comparação entre estes métodos.
No capítulo III é abordada a investigação sobre amostragem de amônia em
atmosfera padrão utilizando o compósito SPZ, bem como, a influência de vários
parâmetros de modo a se aperfeiçoar o sistema de amostragem para posterior
amostragem em instalações avícolas.
Em seguida são apresentadas as conclusões, referências e anexos.
DEDICATÓRIA
Aos meus irmãos Marcus e Marcelo,
À Tia Antonia e Tia Cida.
Aos meus pais Antonio e Lícia.
AGRADECIMENTOS
À Deus.
À Professora Dra. Maria Cristina Solci pela amizade, pela orientação e
conhecimentos transmitidos.
Ao Professor Dr. Antonio Alberto da Silva Alfaya, pela co-orientação e pelo material
de estudo disponibilizado.
Ao Professor Dr. Luiz Henrique Dall’Antonia, pela possibilidade de trabalho em
colaboração nas análises eletroquímicas, e disponibilização do laboratório de
pesquisa LEMA .
Ao Vitor, amigo e companheiro pela contribuição nas análises eletroquímicas, e
disponibilidade nos muitos finais de semana.
Aos amigos do laboratório LEMA: Arnaldo, Eduardo e Marcelo (Xexeu).
À Adriana, Marta, Carlos pela ajuda, amizade e convivência no laboratório LACA.
Ao Ms. Jurandir (Didi), por nossa amizade e colaboração.
Aos amigos da Turma de Mestrado de 2007-2009.
À Luciana, por todas as horas de convívio, pelas conversas infindáveis, pela
amizade incondicional.
Ao Iuri (Cowboy), amigo que fiz no primeiro dia de seleção para o Mestrado, pela
força, companheirismo e ajuda com as figuras deste trabalho.
À Raquel pela ajuda.
Aos amigos: Thayssa, Valmor e Marly, Matheus, Flávia, Sharlene, Carol, Rejane,
Jair e Magali, Beth, Bruno, Tânia e Toco, Zé e Cris, Franciele (Pêre), Daniel Lira,
Alexandre, Soeli e Paulo, Rosângela, Vilma, Marle e Zé, Cláudia, Mirela, Nanda,
Paulinho e Selma, Clarinha, Selma, Sílvia por toda compreensão, apoio, e ajuda.
Aos colegas do Departamento de Química da UEL, pelo convívio e amizade.
“Se enxerguei mais longe, foi porque me apoiei sobre ombros de gigantes”
Isaac Newton
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Energia livre padrão de formação (ΔfG
θ
/ kJ mol
-1
) de espécies nitrogenadas de interesse
natural em função do número de oxidação (nox) desse elemento (CHASE, 1985).
................................16
Figura 2. Diagrama de Ellingham, ΔfG = f(T), para a formação da amônia, a partir dos elementos, a
diversas pressões (SIMONI & CHAGAS, 2005).
...........................................................................................18
Figura 3. Estrutura de uma molécula de amônia (RODRIGUEZ, 2007). ..................................................20
Figura 4. Reação de formação do Compósito SPZ, suportado sob sílica gel (ALFAYA, 2000)............26
Figura 5. Amônia adsorvida como amônio, ligada aos grupos fosfatos do SPZ, suportado em sílica
gel, em relação estequiométrica.
.....................................................................................................................28
Figura 6. Unidade de geração de gases: Frasco termostatizado e tudo com tampa de rosca para
acomodação da membrana de permeação (SOLCI, 1992).
........................................................................33
Figura 7. Montagem para geração de atmosfera padrão de amônia. .......................................................34
Figura 8. Mecanismo reacional de formação do indofenol, segundo a Reação de Berthelot (SEARLE,
1984).
....................................................................................................................................................................37
Figura 9. Curva de calibração para determinação de NH
3
, em H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
, por
espectrofotometria (Método de Berthelot modificado,
λ = 694 nm) (R
2
= 0,9998, y = 0,012x – 0,00248).
...............................................................................................................................................................................42
Figura 10. Voltamograma cíclico para o filme de polipirrol dopado com DBSA, para solução de KCl
0,1 mol L
-1
, em velocidade de 20 mV s
-1
e intervalo de potencial de -1,0 a 0,5 V...................................47
Figura 11. Voltamograma cíclico para o filme de polipirrol dopado com DBSA, para solução de KCl
0,1 mol L
-1
e H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
. .....................................................................................................................48
Figura 12. Curva de calibração para análise de NH
3
, por voltametria cíclica, utilizando eletrodo
modificado de PPy dopado com DBSA. (R
2
= 0,997, y = 0,028x – 1,276.10
-4
). ....................................... 49
Figura 13. Espectros na região do infravermelho do óxido na presença de NH
3
adsorvida e após a
dessorção, obtidos de pastilhas de KBr a 1% (em massa), em intervalo de comprimento de onda de
4000 a 2800 cm
-1
................................................................................................................................................55
Figura 14. Espectros na região do infravermelho do óxido na presença de NH
3
adsorvida e após a
dessorção, obtidos de pastilhas de KBr a 1% (em massa), em intervalo de comprimento de onda de
2000 a 800 cm
-1
. ................................................................................................................................................. 55
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Estimativa das fontes e depósitos da amônia atmosférica, em Teragrama ano
-1
(FÉLIX &
CARDOSO, 2004.) ................................................................................................................................ 21
Tabela 2. Valores de capacidade de adsorção de amônia gasosa (CAA) para compósitos SPZ,
tratados e não tratados termicamente (ALFAYA, 2000). ...................................................................... 27
Tabela 3. Relação entre tempo, quantidade de amônia gerada e taxa de permeação, obtidos através
do método gravimétrico......................................................................................................................... 36
Tabela 4. Volumes de reagentes e ordem de adição dos mesmos no preparo de padrões e amostras
para analise de amônia por espectrofotometria molecular (método de Berthelot Modificado, em cubeta
de 1 cm e λ = 694 nm)........................................................................................................................... 42
Tabela 5. Quantidade de amônia coletada para 1 minuto de amostragem, em 5 mL de solução
0,01 mol L
-1
de H
3
PO
4
como solução absorvente e posterior determinação pelo método
espectrofotométrico .............................................................................................................................. 43
Tabela 6. Quantidade de amônia determinada pelo método eletroquímico, em 1 minuto de
amostragem, coletada em 5 mL de solução H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
......................................................... 50
Tabela 7. Taxa de permeação da amônia em diferentes vazões de gás de arraste, determinada pelo
método espectrofotométrico, coletada em 5 mL de solução H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
................................ 50
Tabela 8. Quantidade de amônia determinada pelo método espectrofotométrico e eletroquímico, em
diferentes tempo, coletada em 5 mL solução H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
....................................................... 51
Tabela 9. Quantidade de NH
3
determinada por gravimetria, em diferentes tempos de amostragem. 56
Tabela 10. Determinação espectrofotométrica da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 9 L h
-1
, em tubo de teflon de 7,5 cm, em 5 mL de solução
H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.. ............................................................................................................................. 57
Tabela 11. Determinação espectrofotométrica da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 2 L h
-1
, em tubo de teflon de 7,5 cm, em 5 mL de solução
adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
. ....................................................................................................... 58
Tabela 12. Quantidade de NH
3
determinada gravimetricamente, em diferentes tempos de
amostragem........................................................................................................................................... 59
Tabela 13. Determinação espectrofotométrica da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 9 L h
-1
, em tubo de teflon de 3 cm, em 5 mL de solução
adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.. ..................................................................................................... 59
Tabela 14. Determinação espectrofotométrica da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 2 L h
-1
, em tubo de teflon de 3 cm, em 5 mL de solução
adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
. ....................................................................................................... 60
Tabela 15. Quantidade de NH
3
determinada gravimetricamente para coleta para vazão de 1 L h
-1
de
gás de arraste........................................................................................................................................ 61
Tabela 16. Determinação espectrofotométrica, da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 1 L h
-1
, em 5 mL de solução adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
............................................................................................................................................................... 61
Tabela 17. Quantidade de NH
3
determinada gravimetricamente para coleta para vazão de 2 L h
-1
de
gás de arraste........................................................................................................................................ 62
Tabela 18. Determinação espectrofotométrica, da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 2 L h
-1
, em 5 mL de solução adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
............................................................................................................................................................... 63
Tabela 19. Quantidade de NH
3
produzida determinada gravimetricamente para coleta em vazão de
9 L h
-1
de gás de arraste. ...................................................................................................................... 64
Tabela 20. Determinação espectrofotométrica, da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 9 L h
-1
, em 5 mL de solução adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
............................................................................................................................................................... 64
Tabela 21. Quantidade de NH3 produzida determinada gravimetricamente para coleta em vazão de
15 L h
-1
de arraste. ................................................................................................................................ 65
Tabela 22. Determinação espectrofotométrica, da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 15 L h
-1
, em 5 mL de solução adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
............................................................................................................................................................... 66
Tabela 23. Quantidade de NH
3
produzida determinada gravimetricamente para coleta em vazão de
36 L h
-1
de gas de arraste. .................................................................................................................... 66
Tabela 24. Determinação espectrofotométrica, da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 36 L h
-1
, em 5 mL de solução adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
............................................................................................................................................................... 66
Tabela 25. Quantidade de NH
3
produzida determinada gravimetricamente para coleta em vazão de
62 L h
-1
de gás de arraste. .................................................................................................................... 67
Tabela 26. Determinação espectrofotométrica, da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 62 L h
-1
, em 5 mL de solução adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
............................................................................................................................................................... 68
Tabela 27. Percentagem de adsorção do CPZ em diferentes vazões de gás de arraste.................... 69
Tabela 28. Concentração de NH
3
quantificada no interior da granja de frangos de corte, pelo método
espectrofotométrico, na vazão de 36 L h
-1
, em frasco borbulhador contendo 5 mL de solução
adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
. ....................................................................................................... 70
Tabela 29. Concentração de NH
3
quantificada no interior da granja de frangos de corte, pelo método
espectrofotométrico, vazão de 36 L h
-1
, com tubo recheado com SPZ, em 5 mL de solução adsorvente
de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
. .......................................................................................................................... 71
Tabela 30. Média das concentrações de amônia encontradas para tempos de 5, 10 e 15 minutos,
através de frasco borbulhador, em instalação avícola.......................................................................... 81
Tabela 31. Quantidade de NH
3
adsorvida pelo compósito SPZ, em 5 minutos de amostragem em
granja de frango de corte, para fluxos de ar de 36 L.h
-1
....................................................................... 81
Tabela 32. Quantidade de NH
3
adsorvida pelo compósito SPZ, em 10 minutos de amostragem em
granja de frango de corte, para fluxos de ar de 36 L.h
-1
....................................................................... 82
Tabela 33. Quantidade de NH
3
adsorvida pelo compósito SPZ, em 15 minutos de amostragem em
granja de frango de corte, para fluxos de ar de 36 L.h
-1
....................................................................... 82
SUMÁRIO
Organização da dissertação e objetivos ...................................................................14
AMÔNIA NA ATMOSFERA, AMOSTRAGEM E DETERMINAÇÃO ..........................15
I.1 A Química do Nitrogênio...................................................................................16
I.2 A Amônia ..........................................................................................................18
I.2.1 Estrutura Química da Amônia ....................................................................20
I.3 Fontes e Comportamento da Amônia (NH
3
) na Atmosfera ...............................20
I.4 Amônia e instalações avícolas..........................................................................23
I.5 Adsorvente para amostragem de amônia atmosférica .....................................24
I.5.1 Características do adsorvente SPZ............................................................25
I.6 Amostragem .....................................................................................................28
INVESTIGAÇÃO SOBRE AMOSTRAGEM DE AMÔNIA NA ATMOSFERA :
GERAÇÃO DE NH
3
ATRAVÉS DA TÉCNICA DE PERMEAÇÃO.............................30
II Geração de atmosfera padrão................................................................................31
II.1 Geração de atmosfera padrão por permeação em tubo selado com teflon .....32
II.2 Geração de atmosfera padrão de amônia .....................................................33
II.3 Padronização da fonte de amônia ...................................................................34
II.3.1 Construção da instalação para a determinação da taxa de permeação....34
II.3.2 Metodologias para a quantificação da taxa de permeação da amônia......35
II.3.2.1 Determinação gravimétrica................................................................35
II.3.2.2 Determinação espectrofotométrica de amônia ..................................36
II.3.2.2.1 Reação de Berthelot Modificada .................................................36
II.3.2.2.2 Determinação da amônia pelo método de Berthelot modificado..38
II.3.2.2.3 Reagentes e vidraria para análise de amônia por
espectrofotometria ......................................................................................38
II.3.2.2.4 Preparo de soluções para doseamento do hipoclorito de sódio e
determinação de cloro ativo ........................................................................39
II.3.2.2.5 Preparo de soluções para determinação da amônia....................40
II.3.2.2.6 Curva de calibração e limite de detecção....................................41
II.3.2.2.7 Determinação espectrofotométrica da taxa de permeação de
amônia ........................................................................................................43
II.3.2.3 Determinação Eletroquímica..............................................................44
II.3.2.3.1 Eletrodos de polipirrol dopados com DBSA ...............................44
II.3.2.3.2 Reagentes e vidraria para análise de amônia em eletrodos
modificados com polipirrol (PPy).................................................................45
II.3.2.3.3 – Preparação dos filmes de poliméricos .....................................46
II.3.2.3.4 Voltametria cíclica .......................................................................46
II.3.2.3.5 Curva de calibração e limite de detecção....................................47
II.3.2.3.6 Determinação eletroquímica da taxa de permeação da amônia .49
II.3.3 Estabilidade da taxa de permeação .........................................................50
II.3.4 Comparação entre as determinações espectrofotométricas e
eletroquímicas....................................................................................................51
INVESTIGAÇÃO SOBRE AMOSTRAGEM DE AMÔNIA NA ATMOSFERA
UTILIZANDO O COMPÓSITO SiO
2
/ZrO
2
/FOSFATO................................................53
III.1 Determinação da quantidade de NH
3
adsorvida pelo SPZ ............................56
III.1.1 Variação do comprimento do tubo de teflon recheado com o compósito
SPZ ....................................................................................................................56
III.1.1.1 Tubo de teflon de 7,5 cm de comprimento e 0,3 cm de diâmetro
interno, recheado com o compósito SPZ........................................................56
III.1.1.2 Tubo de teflon de 3 cm de comprimento e 0,7 cm de diâmetro interno,
recheado com o compósito SPZ.....................................................................58
III.1.2 Influência da vazão do gás de arraste na adsorção do compósito SPZ..60
III.1.2.1 Influência da vazão do gás de arraste de 1 L.h
-1
..............................61
III.1.2.2 Influência da vazão do gás de arraste de 2 L.h
-1
..............................62
III.1.2.3- Influência da vazão do gás de arraste de 9 L.h
-1
.............................63
III.1.2.4 Influência do fluxo do gás de arraste de 15 L.h
-1
..............................65
III.1.2.5 Influência da vazão do gás de arraste de 36 L.h
-1
............................66
III.1.2.6- Influência da vazão do gás de arraste de 62 L.h
-1
...........................67
III.1.3 Relação entre porcentagem de adsorção e a influência da variação da
vazão do gás em 1, 2, 9, 15, 36 e 62 L.h
-1
.........................................................68
III.2 Determinação de NH
3
em ambiente avícola: amostragem em Granja de frango
de corte..................................................................................................................70
III.2.1 Amostragem de NH
3
com tubo adsorvente comparada à amostragem com
tubo borbulhador ................................................................................................70
CONCLUSÕES .........................................................................................................72
REFERÊNCIAS.........................................................................................................73
ANEXOS ...................................................................................................................81
14
ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO
Este trabalho está estruturado em três capítulos, conclusão, referências e
anexos.
No Capítulo I é descrito a química da amônia, seu elemento precursor -
nitrogênio, bem como as propriedades físicas, fontes, sorvedouros, comportamento
na atmosfera e em instalações avícolas. São várias as considerações sobre o
compósito SiO
2
/ZrO
2
/Fosfato (SPZ), adsorvente de amônia e um dos focos de
estudo deste trabalho, suas características e amostragem.
No segundo capítulo é descrito o processo de geração padrão de atmosfera
de NH
3
, todas as etapas para a montagem da instalação geradora. É apresentado
um pequeno relato sobre os métodos gravimétrico, espectrofotométrico e
eletroquímico utilizados para quantificar a NH
3
gerada em atmosfera padrão bem a
comparação entre estes métodos.
No capítulo III é abordada a investigação sobre amostragem de amônia em
atmosfera padrão utilizando o compósito SPZ, bem como, a influência de vários
parâmetros de modo a se aperfeiçoar o sistema de amostragem para posterior
amostragem em instalações avícolas.
Em seguida são apresentadas as conclusões, referências e anexos.
OBJETIVOS
Este trabalho tem por objetivos:
Gerar padrão gasoso de amônia por meio de permeação através de tudo
selado com teflon;
Construir um sensor de amônia, utilizando o compósito SiO
2
/ZrO
2
/Fosfato
como adsorvente.
Quantificar NH
3
em instalações avícolas.
15
Primeira Parte
AMÔNIA NA ATMOSFERA, AMOSTRAGEM E
DETERMINAÇÃO
16
I.1 A Química do Nitrogênio
O nitrogênio, elemento de número atômico 7 e massa molar relativa 14,007,
é o principal componente da atmosfera (78,0%), porém encontra-se em quantidades
menores na litosfera e na hidrosfera (EMSLEY, 1998).
Chase et al. (1985) em seus estudos resume, na Figura 01, alguns aspectos
da química do nitrogênio, levando em consideração apenas as espécies de
interesse natural, inclusive a amônia. Na abscissa está representado o número de
oxidação (
nox) do nitrogênio e na ordenada, a energia livre de formação da espécie
química,
ΔfG
q
, (à pressão padrão p
q
= 0,1 MPa e temperatura T = 298,15 K), em
relação aos elementos em sua forma alotrópica mais estável.
Figura 1. Energia livre padrão de formação (ΔfG
θ
/ kJ mol
-1
) de espécies nitrogenadas de interesse
natural em função do número de oxidação (nox) desse elemento (CHASE, 1985).
17
Nos pontos de valor nulo passam duas retas tracejadas que se cruzaram no
dinitrogênio, N
2
(g), (nox = 0 e ΔfG
q
= 0 kJ mol
-1
), dividindo o plano em quatro partes.
No quadrante superior direito estão os óxidos de nitrogênio (N
x
O
y
), todos
com
nox > 0 e ΔfG
q
> 0. O valor desta última grandeza indica que todos os óxidos
são menos estáveis, termodinamicamente, que seus elementos formadores N
2
(g) e
O
2
(g) nas condições indicadas.
No quadrante direito inferior estão os ânions nitrato, NO
3
-
(aq) e nitrito, NO
2
-
(aq), ambos em solução aquosa diluída e apresentam ΔfG
q
< 0, ou seja, são mais
estáveis que seus elementos formadores.
No quadrante inferior esquerdo estão as formas reduzidas do N,
nox < 0,
todas elas mais estáveis que os elementos formadores. Os ânions, em meio
aquoso, são mais estáveis, porém são facilmente assimilados e metabolizados por
seres vivos (bactérias ou plantas). Assim também as espécies reduzidas, inclusive
o NH
3
(g) que facilmente se dissolvem na água (CHAGAS, 2007). A espécie mais
abundante é sem dúvida o N
2
(g), justamente pela sua pouca reatividade química. A
molécula do dinitrogênio apresenta uma tripla ligação muito forte. Para sua cisão
são necessários 945,4 kJ mol
-1
nas condições ambientes (EMSLEY, 1998).
Reações do dinitrogênio vão requerer entalpias de ativação desta ordem de
grandeza, ou seja, valores de energia elevados para romper a tripla ligação, daí a
dificuldade de se transformar esta espécie nas outras. Apesar de sua abundância
na atmosfera, a inércia química do N
2
(g) faz com que os nutrientes com esse
elemento acabem sendo o gargalo mencionado acima.
A formação da amônia a partir dos elementos, assim representada:
)01.(
2
3
2
1
)(
3
)(
2
)(
2
EqNHHN
g
gg
é uma reação exotérmica, ou seja, ΔfH
q
= - 45,898 kJ mol
-1
a 298,15 K e, nesta
mesma temperatura é termodinamicamente favorecida:
ΔfG
q
= - 16,367 kJ mol
-1
.
Simoni e Chagas (2005) apresenta na Figura 02 um diagrama de Ellingham
(
ΔfG
q
(p) = f (T)) para este sistema à pressão padrão (p
q
= 0,1 MPa) e às pressões
de 1, 10 e 30 MPa, considerando o sistema ideal. Nota-se que à pressão padrão
ΔfG
q
= 0 kJ mol
-1
(constante de equilíbrio de formação Kf = 1) a cerca de 450 K;
acima desta temperatura o equilíbrio estará deslocado para a esquerda e abaixo, o
equilíbrio seria favorável à formação da amônia. Com o aumento da pressão, o
equilíbrio se desloca para a direita, no sentido da contração do volume (Princípio de
18
Le Chatelier, ΔfV
q
= - V
q
(g, ideal)= RT / p
q
). A 600 K a reação é desfavorável à
pressão padrão (
ΔfG
q
> 0), porém favorável a p = 10 e 30 MPa (ΔfG < 0). Como
será descrito abaixo, a epopéia da síntese da amônia começou com o estabelecer
destas propriedades termodinâmicas em um sistema inerte.
Figura 2. Diagrama de Ellingham, ΔfG = f(T), para a formação da amônia, a partir dos elementos, a
diversas pressões (SIMONI & CHAGAS, 2005).
I.2 A Amônia
A amônia é um gás incolor a temperatura ambiente, que possui um odor
extremamente forte e é consideravelmente mais leve que o ar (densidade relativa ao
ar, 0,5963). Apresenta pontos de fusão e ebulição de –77,7 °C e 33,35 °C,
respectivamente, e é bastante solúvel em água, pois a 20 °C e 1 atmosfera, um
volume de água dissolve 702 volumes de amônia, resultando em uma solução
alcalina. Apesar disso, pode ser facilmente removida da água levando-se esta à
fervura (LIDE, 2009). No estado líquido, é um dos solventes que mais tem sido
usado para o estudo de reações químicas, sendo encontrada comercialmente
19
disponível em solução aquosa de 15 mol L
-1
(28% m/v), com a denominação de
amoníaco (BARROS, 1992).
Devido às suas diversas propriedades, a amônia apresenta vasta aplicação,
dentre as quais destacam-se o uso como fonte de nitrogênio na fabricação de
fertilizantes (ERISMAN, 2007), agente neutralizador na indústria do petróleo e gás
de refrigeração em sistemas industriais, pois seu alto poder refrigerante e baixo
potencial de destruição do ozônio estratosférico tornam este gás adequado para ser
usado em grandes máquinas de refrigeração industrial, evitando assim os usuais
compostos orgânicos clorofluorcarbonos (CFC) (FÉLIX & CARDOSO, 2004)
Em ambientes fechados, o maior problema da amônia para o homem é
causado pelo vazamento nos sistemas de refrigeração, o que pode representar
perigos aos trabalhadores do local. Entretanto, um fato positivo a ser mencionado, é
que a amônia mesmo em concentrações na faixa de dezenas de ppm, produz um
odor extremamente desagradável, facilitando sua detecção (SINGLES et al., 1998).
Segundo a Associação Brasileira de Higienistas Ocupacionais - ABHO (2006) o valor
limite de amônia que uma pessoa pode ser exposta durante 8 h de trabalho diário
sem causar danos à saúde é 30 ppm. Como é comum a perda da sensibilidade
específica do olfato após algum tempo de permanência em ambiente contaminado
por amônia, torna-se indispensável além de uma boa ventilação nesses locais,
sistemas de detecção química fáceis de operar, de baixo custo e resposta rápida,
que permitam avaliar os níveis deste gás em uma ampla faixa de concentrações.
Outro problema que ocorre em ambientes fechados está relacionado com a criação
extensiva de animais (KRISTENSEN et al., 2000) que é usualmente feita confinando
em um determinado espaço vários animais. Como as fezes e urina são fontes de
amônia, isso pode resultar em concentrações elevadas do composto, o que vai
interferir na saúde dos animais, podendo ocasionar prejuízo aos produtores. Neste
caso, métodos analíticos que forneçam dados sobre a concentração média diária de
amônia ajudam a controlar o problema (FÉLIX & CARDOSO, 2004).
20
I.2.1 Estrutura Química da Amônia
O átomo de nitrogênio tem cinco elétrons de valência e, na amônia, está
ligado por covalência a três átomos de hidrogênio para completar as oito posições
eletrônicas na camada externa. Isto deveria resultar numa geometria tetraédrica
regular com ângulos de ligação de aproximadamente 109,5°. Porém, os três átomos
de H são repelidos pelo par de elétrons isolado do nitrogênio, modificando a
geometria da molécula para uma forma piramidal de base triangular: o ângulo das
ligações passa a ser de 107,8°, com o átomo de nitrogênio no ápice e os de H nos
vértices da base como demonstrado na Figura 03. Como os três átomos dos vértices
da base são idênticos, a molécula pertence ao grupo pontual C
3v
. Esta configuração
faz com que a molécula tenha momento dipolo e afinidade por prótons devido ao par
de elétrons isolado (RODRIGUEZ, 2007).
Figura 3. Estrutura de uma molécula de amônia (RODRIGUEZ, 2007).
I.3 Fontes e Comportamento da Amônia (NH
3
) na Atmosfera
O desenvolvimento industrial e urbano tem originado em todo mundo um
aumento crescente da emissão de poluentes atmosféricos (FREEDMAN, 1989). O
acréscimo das concentrações atmosféricas destas substâncias, a sua deposição no
solo (RODRIGUEZ, 2007), nos vegetais e nos materiais é responsável por danos à
21
saúde, redução da produção agrícola, danos nas florestas, degradação de
construções e obras de arte e de forma geral originando desequilíbrios nos
ecossistemas (CHAGAS, 2007).
O gás nitrogênio é o principal componente em proporção do ar atmosférico e
além dele, varias outras substâncias que pertencem ao ciclo do nitrogênio são
encontradas na forma de gás na atmosfera, as principais são os óxidos de nitrogênio
e amônia (UGUCIONE
et al., 2002). O nitrogênio sendo o componente de maior
abundância na atmosfera esta relacionado à formação de outras espécies de
interesse natural.
O interesse sobre emissões de amônia na atmosfera tem aumentado nos
últimos anos, devido em parte aos efeitos prejudiciais do excesso da deposição de
nitrogênio nos ecossistemas. Diversas são as fontes de amônia para a atmosfera e
estudos mostram que a maior delas é a decomposição de materiais orgânicos e
dejetos de animais (FRANCO et al., 2000), além da volatilização de fertilizantes
sintéticos, queima de biomassa, perda natural pela vegetação, processos industriais
e emissões (UGUCIONE et al., 2002). A Tabela 01 apresenta as principais fontes de
amônia atmosférica e suas respectivas contribuições anuais.
Tabela 1. Estimativa das fontes e depósitos da amônia atmosférica, em Teragrama ano
-1
(FÉLIX &
CARDOSO, 2004.)
Fontes e sorvedouros
Quantidade de amônia (Tg
ano
-
1
)
Queima de combustíveis fósseis 2
Queima de biomassa 5
Superfície marinha 13
Resíduo de animais domésticos 32
Excremento humano 4
Emissões do solo 19
Deposição úmida 46
Deposição seca 10
Oxidação pelo radical
•
OH 1
A amônia é um constituinte minoritário da atmosfera, sendo encontrado em
concentrações na faixa de 1 a 10 ppb em regiões rurais e moderadamente poluídas
(CADLE et al., 1982). De acordo com a literatura, vários são os efeitos da amônia na
saúde humana, estes efeitos vão desde suaves irritações a severas lesões no corpo,
devido à alcalinidade desta substância (FONTANA, 2006).
22
A quantificação da concentração de amônia é indispensável para o
entendimento sobre diferentes processos químicos atmosféricos, especialmente por
se tratar de um agente capaz de neutralizar gases ácidos (DAMM et al., 2001). Suas
reações com gases ácidos na atmosfera produzem espécies químicas, geralmente
na forma de material particulado. Os aerossóis contendo amônio formam a fração de
menor tamanho do material particulado total atmosférico (KEUKEN et al., 1989).
Estes aerossóis presentes na atmosfera podem diminuir a visibilidade e, ainda,
podem afetar a acidez da água da chuva mudando a concentração de íons
hidrogênio. A avaliação da amônia atmosférica é também fundamental para fechar o
balanço de massa do ciclo do nitrogênio (FRANCO et al., 2000).
É importante salientar que a NH
3
é a principal base gasosa encontrada na
atmosfera (NORMAN
et al., 2001). Sendo um gás quimicamente ativo, NH
3
combina
facilmente com espécies ácidas como os ácidos fortes nítrico, sulfúrico e clorídrico
nas gotículas das nuvens formando partículas de nitrato de amônio (NH
4
NO
3
),
sulfato de amônio [(NH
4
)
2
SO4] ou cloreto de amônio (NH
4
Cl). A formação de
particulados prolonga a existência do nitrato na atmosfera, influenciando a
distribuição geográfica das deposições ácidas. A amônia emitida pode também ser
depositada no solo e em corpos d’água através do processo de deposição seca. O
nível atmosférico de concentração de NH
3
não é bem correlacionado com a
temperatura, mas com outros fatores, como direção dos ventos, que determinam
concentrações ambientes de NH
3
sobre as florestas (PRYOR et al., 2001). Segundo
Sommer e Hutchings (2001), a taxa de deposição de NH
3
na superfície das plantas,
originadas de emissões por aplicação de adubos é notadamente afetada pelas
condições do tempo.
Por causa da vida curta da amônia na atmosfera (1 a 15 dias) [ WERNECK,
1998 apud ANEJA et al., 2001], baixa altura da fonte (no caso de áreas rurais), e
velocidade de deposição seca relativamente alta (nas florestas a velocidade média
de deposição é de 22 – 36 mm s
-1
), uma fração significativa depositará,
provavelmente, próximo a fonte. A deposição de NH
3
sobre a vegetação perturba o
equilíbrio e contribui para a acidificação e, posteriormente para a nitrificação do solo.
Um ciclo diário de NH
3
muito claro é proposto por Wyers e Erisman (1998),
considerando a deposição à noite e a emissão durante o dia. A alteração entre
deposição e missão continua até a saturação das copas das árvores com água no
23
período de chuva. Enquanto as copas das árvores permanecem úmidas, NH
3
é
constantemente e eficazmente depositada. Quando secam, NH
3
passa a ser emitida.
I.4 Amônia e instalações avícolas
A presença de amônia em aviários vem sendo discutida em todo mundo,
principalmente por duas razões: primeira - existem evidências epistemiológicas de
que a saúde dos trabalhadores possa ser afetada pela exposição diária aos diversos
poluentes aéreos; segunda – o efeito da amônia sobre a saúde das aves
(MARIGLIOTA, 2000).
As altas concentrações de amônia encontrada dentro de aviários é resultado
da degradação biológica do esterco, assim como demais gases encontrados, como:
H
2
S, CH
4
e CO
2
(MARIGLIOTTA et al., 2004). Ainda pode ser originada da ação
bacteriana ou da redução de substâncias nitrogenadas que se acumulam na cama
de frango (HERNANDES & CAZETTA, 2001). Segundo Belyavin (1993) fatores
ambientais como a temperatura e umidade interferem na emissão de amônia nas
produções de animais em criação intensiva.
A cama de frango deve ter a função de absorção da umidade, diluição de
uratos e fezes, isolamento térmico, além de proporcionar uma superfície macia para
as aves, evitando a formação de calo no peito. Esta pode constituir-se de diversos
materiais, como casca de arroz, casca de amendoim, maravalha de madeira, papel e
outros, devendo ser manejada adequadamente para controlar o nível de umidade, a
produção de pó e amônia, exposição a agentes transmissores de doenças e prevenir
a proliferação de insetos (HERNANDES
et al. 2002).
O nível de proteína bruta nas fezes das aves aumenta com a idade e tempo
de confinamento. Este é um reflexo da redução da eficiência alimentar com o
aumento da idade das aves, contribuindo para o aumento do teor de nitrogênio
disponível na cama de frango. Experimentos realizados por Smacchia
et al. (1984)
demonstram que as perdas totais de uréias e amônia originadas da cama de frango
incubadas a 40 ºC, por 65 dias, foram maiores nas camas de frangos mais velhos do
que para camas de frangos jovens. Um regime alimentar acompanhado poderia
reduzir esta emissão de amônia (BELYAVIN, 1993).
24
Segundo Gonzáles & Saldanha (2001) a amônia é um agente irritante das
mucosas dos olhos e das vias respiratórias das aves, para Anderson et al. (1965)
sendo um gás altamente irritante, devido à sua ação, causa estresse, o que leva à
perda de peso, podendo até provocar a morte. Posteriormente, ao cair na corrente
sangüínea, tem efeito tóxico sobre o metabolismo fisiológico, podendo também levar
a óbito. Estes fatos foram verificados em frangos que, expostos à amônia, dióxido de
carbono e poeira por seis dias consecutivos, tiveram perda significativa de cílios a
partir do epitélio da porção superior da traquéia, o que pode prejudicar, por interferir
no transporte de muco e eliminação de partículas de poeira pelas aves. Aves
submetidas a diferentes teores de amônia (0, 50, 100 e 200 ppm) na atmosfera dos
galpões durante um período de 28 dias apresentaram perda de peso, menor
conversão alimentar e maior mortalidade com o aumento dos níveis de amônia
(HERNANDES e CAZETTA, 2001). Por este motivo, existe grande interesse em se
determinar e quantificar a amônia em instalações para confinamento de aves, o que,
entretanto, exige equipamentos sofisticados, laboratórios aparelhados e técnicos
treinados, os quais, entretanto, na maioria das vezes, não estão disponíveis e, por
conseguinte, a liberação do referido gás não é determinada e monitorada.
Em alguns casos, a amônia total presente na cama de frango tem sido
determinada pelo método de Kjeldhal (ASSOCIATION OF OFFICIAL ANALITICAL
CHEMISTS – AOAC, 1970), porém, tais resultados não indicam qual a fração desta
substância que passa para a atmosfera dos galpões.
I.5 Adsorvente para amostragem de amônia atmosférica
Muitos materiais possuem capacidade de adsorção de espécies químicas e
são utilizados na amostragem de espécies atmosféricas, como é o caso dos
compósitos. Os compósitos compreendem uma classe de materiais que a cada dia
ganha mais importância tecnológica. Segundo Chawla (1987) compósitos podem ser
definidos como materiais formados de dois ou mais constituintes com distintas
composições, estruturas e propriedades e que estão separados por uma interface. O
objetivo principal em se produzir compósitos é de combinar diferentes materiais para
25
produzir um único dispositivo com propriedades superiores às dos componentes
unitários.
O compósito fosfato de zircônio(IV) suportado sobre matriz de sílica vem
sendo estudado devido sua grande versatilidade, mais recentemente, no
desenvolvimento de sensores químicos e biossensores (PESSOA
et al., 1997).
O processo sol-gel é um método apropriado para síntese de óxidos mistos do
tipo SiO
2
/MO
2
(onde M é um metal de transição), de execução relativamente simples
que permite introduzir altas concentrações do metal de transição nestes materiais. A
adição de zircônio promove interações nos óxidos mistos SiO
2
/MO
2
a nível molecular
que gera o aparecimento de sítios ácidos na superfície não encontrados sobre
óxidos puros.
Os compósitos SiO
2
/ZrO
2
/Fosfato (SPZ) foram utilizados devido a sua
característica peculiar em adsorver quantidades estequiométricas de amônia gasosa
muito rapidamente à pressão atmosférica (ALFAYA, 2000). A amônia gasosa é
rapidamente adsorvida sobre a superfície dos compósitos SPZ como NH
4
+
.
I.5.1 Características do adsorvente SPZ
Segundo Alfaya (2000), fosfato de zircônio(IV) vem sendo estudado desde a
década de 50 como trocador iônico. Devido à sua alta acidez tem sido estudado no
desenvolvimento de sensores químicos e biossensores.
Para Clearfield (1982) a preparação do fosfato de zircônio(IV) é normalmente
realizada pela reação de um sal de zircônio(IV) solúvel em água com uma solução
aquosa de ácido fosfórico. O produto formado em muitos casos é um pó fino com
baixa resistência mecânica, baixa área superficial e também pequena estabilidade
térmica.
Uma forma de melhorar as características do fosfato de zircônio(IV) do ponto
de vista prático, seria preparar matrizes possuindo alta área superficial, melhor
resistência mecânica, granulometria adequada para ser utilizado nas mais diversas
aplicações e, se possível, aumentar a sua estabilidade térmica.
Estudos das propriedades físico-químicas dos fosfatos de zircônio(IV)
concluíram que estes apresentam características como adsorvente inorgânico e alta
26
capacidade de troca catiônica (SHARYGIN et al., 2005). Os fosfatos de zircônio(IV)
podem ser preparados na forma amorfa ou cristalina (SHUKLA et al., 2003). Devido
a sua elevada acidez, o fosfato de zircônio tem grande potencial para ser aplicado
como catalisador ou como suporte para catalisador (YUAN et al., 2005).
Zr(OH)
2
H
3
PO
4
aquoso
Zr
OH
2
OPO(OH)
2
OH
2
OPO(OH)
2
Zr
OPO(OH)
2
OPO(OH)
2
- H
2
O
Figura 4. Reação de formação do Compósito SPZ, suportado sob sílica gel (ALFAYA, 2000).
O fosfato de zircônio cristalino (α-Zr(HPO
4
)
2
H
2
O) é formado de intercamadas
com distância de 0,76 Å (ZHAO et al., 2005) e apresenta ainda a propriedade de
adsorver íons metálicos em membranas modificadas apresentando grande
capacidade de troca de próton
s (APARICIO & KLEIN, 2003). Estudos com (α-
Zr(HPO
4
)
2
H
2
O) também revelam que este é um excelente trocador de íons
27
inorgânico, pois os dois hidrogênios ácidos do grupo fosfato têm alta capacidade de
troca iônica (FERRAGINA et al., 2003).
Para Clearfield (1982) a preparação do fosfato suportado sobre a matriz de
SiO
2
/ZrO
2
é normalmente realizada pela imersão deste oxido em uma solução de
ácido fosfórico. A mistura é agitada por 8 h na temperatura de 298 ± 1 K. O sólido é
filtrado por sucção, lavado exaustivamente com água e seco a 353 K, obtendo-se o
produto SiO
2
/ZrO
2
/fostafo (Figura 04).
Segundo Alfaya (2000) análises de espectros na região do infravermelho para
o compósito após adsorção de NH
3
, demonstram que bandas largas a 3150 cm
-1
podem ser atribuídas ao modo de estiramento v(NH
4
+
) (modo de simetria F
2
) dos
íons tetraédrico. As bandas fortes e estreitas a 1400 cm
-1
podem ser atribuídas ao
modo de deformação
δ(NH
4
+
) (modo de simetria F
2
) do mesmo íon. A intensidade
desta banda aumenta conforme a quantidade de dihidrogeno fosfato de zircônio na
matriz aumenta.
A Tabela 02 demonstra a relação entre temperatura e capacidade de
adsorção de amônia (CAA) pelo compósito SPZ.
Tabela 2. Valores de capacidade de adsorção de amônia gasosa (CAA) para compósitos SPZ,
tratados e não tratados termicamente (ALFAYA, 2000).
Temperatura CAA / mmol g
-
1
298 2,87
673 2,76
873 2,61
1073 2,37
1273 2,10
1673 0,00
As reações no presente caso são estequiométricas e podem ser formalmente
representadas pela Equação 02, em concordância com a razão molar de Zr:P:N =
1:2:4
)02.(//4//
2
2
44223
2
4222
EqNHPOZrZrOSiONHPOHZrZrOSiO
28
A Figura 05 demonstra a amônia adsorvida como amônio, ligada aos grupos
fosfatos, que por sua vez estão ligados ao átomo de zircônio suportado sobre sílica
gel.
Outro fato de grande importância relatado por Alfaya (2000), a amônia
adsorvida sobre os compósitos SPZ não é facilmente liberada, a termodessorção
ocorre a 1081 K.
Zr
O P
O
OH
OH
O P
O
OH
OH
+ 4 NH
3
Zr
O P
O
O NH
4
O NH
4
O P
O
O NH
4
O NH
4
Figura 5. Amônia adsorvida como amônio, ligada aos grupos fosfatos do SPZ, suportado em sílica
gel, em relação estequiométrica.
I.6 Amostragem
Como em muitas atividades da Química Analítica a amostragem de traços de
compostos na atmosfera, é o passo mais crítico de um procedimento completo de
análise. Para o Químico Analítico, a matriz atmosférica apresenta-se praticamente
como imenso e vasto aerossol, isto é, mistura gasosa com gotículas líquidas e
partículas sólidas em suspensão. Nesta matriz são efetuadas investigações de
partes, em determinação espaço e tempo, caracterizando uma amostragem. Número
e tamanho da tomada de amostra como o lugar, tempo e ordem cronológica da sua
tiragem, isto é, a estratégia de amostragem é aqui determinante para a
representatividade da informação sobre a relação quantidade-espaço-tempo
(KLOCKOW, 1978).
A exatidão da informação depende substancialmente da correta definição da
extensão da tomada de amostra e na maioria dos casos da sua transferência ou
29
conexão com um sistema de análise apropriado. Na análise química a amostragem
é uma etapa de difícil e complexa execução, já tendo sido considerada a principal
fonte de erro. Quando o erro analítico for igual ou menor do que 30% do erro da
amostragem, o erro analítico deixa de contribuir significativamente para o erro da
determinação [KRATOCHOVIL
et al., (1984), segundo MILANI (2001)] . A
manipulação da amostra está relacionada com uma intervenção no estado real do
aerossol (com respeito às propriedades físico-químicas), e não somente os erros
ocasionais da amostragem, mas muito mais os erros sistemáticos podem ser
significantes para o resultado final da análise [KLOCKOW, (1976) segundo SOLCI,
(1992)]. As mais importantes técnicas para amostragem do ar atmosférico estão
publicadas em uma série de manuais, revisões, monografias, livros e contribuições
em congressos. Mas são poucos os casos que apresentam uma apreciação crítica
das montagens coletoras descritas. Estas informações na literatura são geralmente
dispersas e praticamente só são encontrados quando relacionadas a determinados
problemas de medidas.
Vários são os métodos desenvolvidos para coleta e determinação da amônia
atmosférica, como: tubos de difusão (denuders) (ALI
et al., 1989); filtros de celulose
impregnados com ácido que retêm o composto gasoso de caráter básico, como o
íon amônio; sensores químicos (
WILLIAMS et al., 1992), especialmente sensores
a gases, a vapores orgânicos e odores (ANDRADE et
al., 1998) e os tubos
adsorventes com determinação colorimétrica, que são os mais simples de operar
(UGUCIONE
et al., 2002). Vários métodos analíticos têm sido propostos, utilizando a
propriedade de que gases solúveis em água são coletados com grande eficiência
por gotas de soluções aquosas (CARDOSO
et al., 1998).
30
Segunda Parte
INVESTIGAÇÃO SOBRE AMOSTRAGEM DE AMÔNIA
NA ATMOSFERA: GERAÇÃO DE NH
3
ATRAVÉS DA
TÉCNICA DE PERMEAÇÃO
31
Nos estudos em química atmosférica a determinação de amônia tem grande
importância. Os dispositivos utilizados para as amostragens, os métodos analíticos
para a determinação das espécies de interesse bem como a calibração dos métodos
de coleta são etapas fundamentais para o bom desempenho do processo analítico.
II Geração de atmosfera padrão
Um grande número de investigações científicas necessita de amostras
gasosas contendo concentração conhecida de um ou mais componentes gasosos.
As condições gerais previamente estabelecidas para a produção de uma mistura
gasosa padrão é que ela deva ser estável, isto é, manter-se em concentração
constante, pelo período de tempo necessário para sua utilização, deve ser
reprodutível, de preferência simples de fácil operação. (CARDOSO, 1986).
Para o desenvolvimento e avaliação de métodos para coleta e determinação
destes traços de gases reativos em matrizes atmosféricas são necessárias medidas
e ajustes em todos os parâmetros envolvidos na metodologia a ser verificada. Esta é
a chamada calibração do método e uma das dificuldades está na geração de
atmosferas padrão de concentrações compatíveis com a amostra real. Muitos são os
métodos utilizados para geração de atmosfera padrão e estes são apresentados por
Nelson (1972) segundo Solci (1992) com grande número de informações.
Rotineiramente utilizam-se métodos dinâmicos para geração de atmosferas
gasosas. Estes são baseados na introdução contínua de um componente em uma
corrente de gás que está permanentemente fluindo (MILANI, 2001). Neste trabalho
optou-se por um sistema dinâmico de geração contínua de amônia, uma vez que
este sistema permite uma variação de vazão de gás de arraste, bem como controle
da concentração dos componentes gasosos gerados.
32
II.1 Geração de atmosfera padrão por permeação em tubo selado com teflon
A seguir serão apresentadas considerações sobre a geração de misturas
padrões gasosas obtidas pelo método dinâmico empregando tubos de permeação
construídos de um material inerte à ação do analíto. No interior deste tudo é
armazenada uma solução líquida a partir da qual o analíto é gerado. O tubo deverá
ter uma fração de sua extensão construída de um material permeável, de modo que
o analíto gasoso possa permear para o exterior do tubo. O tubo deve ser alojado no
interior de uma câmara provida de uma entrada para o gás de arraste e de uma
saída para a mistura desejada (MILANI, 2001).
O processo de permeação envolve a vaporização de um composto líquido,
dissolução do composto gasoso no material permeável, difusão através do material
permeável e liberação para a superfície externa (CHOI & HAWKINS, 1997). A taxa
de permeação do componente (perda de massa em um período determinado) está
baseada na Lei de Difusão de Fick e pode ser expressa pela Equação 03:
)03.(
21
Eq
T
AppSD
R
onde:
R é a taxa de permeação;
D é o coeficiente de difusão do componente gasoso através do material
permeável;
S é a constante de solubilidade do componente gasoso no material
permeável;
A é a área superficial do material;
p
1
e p
2
são as pressões parciais do componente gasoso nos dois lados do
tubo.
A permeação é um processo de duas vias, ou seja, o gás de arraste pode
permear para o interior do tubo e reagir com o permeante. Se o produto formado
tiver uma baixa pressão de vapor há um aumento no peso do tubo de permeação,
introduzindo um erro na determinação da taxa de permeação pelo método
gravimétrico (SCARINGELLI
et al., 1970).
33
II.2 Geração de atmosfera padrão de amônia
Para geração de atmosfera padrão de amônia empregou-se o método da
permeação através de selo de teflon para obtenção de amônia na fase gasosa. A
instalação é apresentada na Figura 06. O pequeno tubo de vidro contém a solução
de hidróxido de amônio com concentração conhecida (30%). O frasco é vedado com
selo de teflon que permite a permeação da amônia na fase gasosa para fora do
tudo. O tubo de vidro lacrado com selo de teflon é colocado em um banho
termostatizado construído de forma que o gás de arraste entre pela parte inferior da
serpentina e carregue a amônia permeada através do selo para a parte superior do
frasco.
Figura 6. Unidade de geração de gases: Frasco termostatizado e tudo com tampa de rosca para
acomodação da membrana de permeação (SOLCI, 1992).
20 cm
7 cm
34
II.3 Padronização da fonte de amônia
II.3.1 Construção da instalação para a determinação da taxa de permeação
Para determinação da taxa de permeação da fonte de amônia montou-se a
aparelhagem que é apresentada na Figura 07.
Figura 7. Montagem para geração de atmosfera padrão de amônia.
A seguir é descrito as etapas da instalação para geração de padrão gasoso.
Seguindo a ordem apresentado na Figura 07.
O gás de arraste foi coletado por sucção através de uma bomba (1), em
seguida seco com sílica-gel (2), uma vez que o vapor de água é um de seus
componentes. A sílica-gel possui uma eficiência e capacidade dessecante
moderada, mas ela é de larga utilização, pois se pode acompanhar visualmente sua
condição secante pela observação da mudança da coloração do indicador de
umidade (CARDOSO, 1986).
Para evitar o aumento da quantidade de amônia gerada devido à possível
existência de amônia pré-existente no gás de arraste oriundo de outras fontes,
utilizou-se ácido cítrico granulado (3) para adsorver esta fonte de contaminação do
padrão gasoso a ser gerado. No percurso da passagem do gás introduziram-se
conexões em teflon, que é um material não reativo, para evitar perdas de amônia.
Rotâmetro
(4)
Ácido Cítrico
(3)
Sílica
-
gel (2)
Bomba (1)
Amostragem
(5)
35
Na seqüência, o gás de arraste passa por um rotâmetro (4), a fim de se
determinar a vazão de gás de arraste. Com o objetivo de manter constante a vazão
dos gases, foi utilizada uma válvula de agulha.
Nesta unidade de geração de atmosfera padrão utilizou-se um frasco
termostatizado (5) a temperatura de 35±1ºC.
II.3.2 Metodologias para a quantificação da taxa de permeação da amônia
Para a determinação da taxa de permeação da fonte de amônia optou-se por
três metodologias: gravimétrica, espectrofotométrica e eletroquímica.
II.3.2.1 Determinação gravimétrica
Gravimetria é o ramo da química analítica quantitativa onde o principal
processo das análises é a pesagem dos componentes a serem determinados.
(HARRIS, 2005).
De acordo com esta metodologia é possível determinar a quantidade de
amônia permeada, através de pesagens constantes da massa da solução de
NH
4
OH, contida no tubo selado com teflon. A determinação da taxa de permeação
pelo método gravimétrico é excelente para gerar misturas padrão, mas apresenta a
desvantagem de necessitar de várias semanas para ser feita.
Para obter os valores da taxa de permeação da NH
3
, pelo sistema
gravimétrico, determinou-se a diferença de massa (média de três determinações,
n=3) do tudo de permeação em intervalos de tempo de 10, 30, 60, 120, e 240
minutos. Os resultados são apresentados na Tabela 03.
36
Tabela 3. Relação entre tempo, quantidade de amônia gerada e taxa de permeação, obtidos através
do método gravimétrico.
Tempo
(min)
Amônia
gerada
(mol)
Taxa de permeação
(10
-4
mol.min
-1
)
10
1,16 10
-3
1,16
30
4,33 10
-3
1,44
60
7,56 10
-3
1,26
120
1,65 10
-2
1,37
240
2,95 10
-2
1,23
1,30 ± 0,12
Os resultados indicaram elevada eficiência de coleta, com taxa de permeação
de amônia de 1,30.10
-4
mol min
-1
com desvio padrão de 9,23%, o que é bem
satisfatório segunda a literatura já revisada. De acordo com o teste t (HARRIS,
2005), para um grau de confiabilidade de 95%, os valores de taxa de permeação
encontram-se dentro do intervalo de confiança (µ), ou seja, 1,14.10
-4
mol l
-1
< µ <
1,45.10
-4
mol L
-1
. Como estes resultados foram satisfatórios, mantiveram-se as
condições para verificar a dependência da quantidade de amônia permeada em
função do tempo de coleta no frasco borbulhador. A primeira amostragem de cada
serie fez-se sempre uma hora após o inicio da operação. Variando-se o tempo de
coleta de 10, 30, 60, 120, 240 minutos não foi observada alteração significativa nos
valores da taxa de permeação.
II.3.2.2 Determinação espectrofotométrica de amônia
II.3.2.2.1 Reação de Berthelot Modificada
A reação de Berthelot (BERTHELOT, 1859) é uma homenagem ao cientista
Marcellin Pierre Eugène Berthelot que em 1859 observou uma coloração azul após
misturar soluções de: amônia, fenol e hipoclorito (DARIDON et al., 2001). Este
método analítico ganhou popularidade depois da descoberta que
37
nitropentacianoferrato de sódio acelerava esta reação (LUBOCHINSKY e ZALTA,
1954). Entretanto, somente em 1961 o mecanismo da reação foi proposto por
Bolleter
et al. (1961). A Figura 08 representa o mecanismo de formação do indofenol
proposto [BERTHELOT (1859) apud SEARLE (1984)].
NH
3
OCl
-
NH
2
Cl
OH
-
-
O
NH
2
Cl
3OH
-
O N Cl 3H
2
O
Fe(CN)
5
ONO
+
O N Cl
-
O
O N O
-
HCl
O N OH
Cl
-
azul
amarelo
Figura 8. Mecanismo reacional de formação do indofenol, segundo a Reação de Berthelot (SEARLE,
1984).
No Método de Berthelot cada molécula de amônia reage com duas moléculas
de derivado fenólico na presença de hipoclorito de sódio, em meio alcalino, para
formar indofenol, composto de cor azul. A intensidade de cor resultante da reação é
proporcional à concentração de amônia (KANDA, 1995). Além de fenol caracterizar-
se como uma substancia tóxica e volátil, há ainda a formação de um intermediário
de forte odor e três vezes mais tóxico que o fenol, o orto-clorofenol, este composto
foi estudado e identificado por espectroscopia no infravermelho [VERSOUW
et al.
(1978) segundo ROCHA et al., (1989)].
Devido à toxicidade do orto-clorofenol, intermediário da reação, estudos foram
conduzido de modo a substituir o fenol por outra substância, de modo a produzir um
intermediário de menor toxicidade. Roskan e Langen (1964) substituíram o fenol por
timol para determinar amônia na água do mar e citam um mecanismo para a reação,
segundo há formação de um composto final do tipo indofenol. Através de estudos
cinéticos, Patton e Crouch (1977), propuseram a formação de monocloroamina
38
como primeiro intermediário e confirmam o produto final, indofenol, conforme o
trabalho de Bolleter
et al., (1961).
Modificações no método de Berthelot, como a substituição do fenol por
salicilato, foram realizadas, o que resultaram num composto do tipo indofenol, sem a
presença de intermediários (ROCHA, 1989). Nesta substituição de fenol por
salicilato, a amônia é transformada numa monocloroamina que reage com o
salicilato, formando a 5-aminosalicilato, que sofre posterior oxidação formando um
complexo verde. O método apresenta limite de detecção muito baixo (ppb), sendo
este um método sensível e exato (PRAZERES, 2005).
O mecanismo da reação de formação do indofenol é dependente da luz,
temperatura, catalisador e pH (HARFMANN e CROUCH, 1989). Contudo, alguns
pesquisadores observaram que o desenvolvimento da reação no escuro elimina as
interferências induzidas pela luz, utilizando o nitroprussiato como catalisador
(VERSOUW
et al. 1978)
Para maior exatidão do método do indofenol, são recomendados alguns
procedimentos, são eles: todos os reagentes devem estar à temperatura ambiente;
as soluções-amostras devem ser protegidas da luz, caso as absorbâncias sejam
lidas no dia seguinte ao desenvolvimento da cor; estocar reagente nitropussiato em
vidro âmbar e refrigerado devido ao escurecimento do reagente com o tempo,
especialmente quando é exposto diretamente à luz solar; preparar o reagente
nitroprussiato a cada três semanas (SCHEINER 1976).
II.3.2.2.2 Determinação da amônia pelo método de Berthelot modificado
A amônia foi determinada pelo método de Berthelot modificado utilizando o
espectrofotômetro, com cubeta de 1 cm, à 694 nm.
II.3.2.2.3 Reagentes e vidraria para análise de amônia por espectrofotometria
39
A vidraria usada nesta análise foi descontaminada com HCl 10% e levada
várias vezes com água recém deionizada. Todo cuidado deve ser tomado com o
ambiente do laboratório onde esta sendo feito a análise, para evitar problemas de
contaminação das amostras e brancos, durante adição dos reagentes; a água deve
ser deionizada no mesmo dia e nenhum composto de amônia deve ser manuseado
no ambiente.
II.3.2.2.4 Preparo de soluções para doseamento do hipoclorito de sódio e
determinação de cloro ativo
Solução de tiossulfato de sódio (Na
2
S
2
O
3
.5H
2
O) 0,1 mol L
-1
Dissolve-se 2,482 g de tiossulfado de sódio em água deionizada e completa-
se o volume em balão volumétrico de 100 mL. Armazena-se a solução em
recipiente escuro.
Solução de dicromato de potássio (K
2
Cr
2
O
7
) 0,1 mol L
-1
Seca-se o dicromato de potássio em estufa a 120
o
C por 1 hora. Resfria-se
em dessecador. Dissolve-se 0,49045 g em água deionizada, em balão de 100 mL. A
solução deve ser guardada em geladeira, permanecendo assim estável por 1 mês.
Solução de ácido clorídrico (HCl) 6,0 mol L
-1
Pipeta-se 25,00 mL de ácido clorídrico concentrado e dilui-se para um volume
de 50 mL, em balcão volumétrico.
Solução de iodeto de potássio (KI) 10% (m/v)
Dissolve-se 5,0 g de iodeto de potássio em água deionizada em um balão
volumétrico de 50 mL.
40
Padronização da solução de tiossulfato de sódio
Preenche-se uma bureta de 50 mL com solução de tiossulfato de sódio
0,1 mol L
-1
e acerta-se o menisco. Em um erlenmeyer transfere-se: 10,00 mL de
solução de dicromato de potássio 0,10 mol L
-1
, 5,00 mL de solução de ácido
clorídrico 6,0 mol L
-1
,
10,00 mL de solução de iodeto de potássio 10% (m/v). Agita-
se a mistura, deixe em repouso por 10 minutos, no escuro. Titula-se a mistura com a
solução contida na bureta, até a solução tornar-se verde.
Doseamento de Hipoclorito de Sódio
Em um erlenmeyer transfere-se: 5,00 mL de solução de iodeto de potássio
10% (m/v), 1,00 mL de hipoclorito de sódio, 3,00 mL de ácido acético glacial
concentrado. Titula-se com solução padronizada de tiossulfato de sódio.
1,00 mL Na
2
S
2
O
3
0,10 mol L
-1
= 3,55 mg Cl ativo
II.3.2.2.5 Preparo de soluções para determinação da amônia
Solução de hidróxido de sódio 0,35 mol L
-1
Pesa-se 1,4 g de NaOH p.a., transfere-se para um balão volumétrico de
100 mL, completa-se o volume com água deionizada. Armazena-se em frasco de
vidro.
Solução de salicilato 1,25 % (m/v) em NaOH 0,35 mol L
-1
Pesa-se 1,25 g de ácido salicílico, transfere-se para balão volumétrico de
100 mL e completa-se o volume com a solução de hidróxido de sódio 0,35 mol L
-1
,
preparada anteriormente. Armazena-se em frasco de vidro.
Solução de nitroprussiato de sódio 0,5% (m/v)
41
Dissolve-se 0,5 g de nitroprussiato em água deionizada, em balão de 100 mL,
completando-se o volume. Armazena-se em frasco de vidro.
Solução de hipoclorito de sódio 0,1% (m/v)
Transferiu-se para um balão volumétrico de 100 mL, uma alíquota de 2,00 mL
de solução de hipoclorito de sódio padronizado anteriormente, o volume é
completado com água deionizada. Armazena-se em frasco de vidro.
Solução de cloreto de amônio 1,0.10
-4
mol L
-1
Dissolve-se 0,0535 g de cloreto de amônio, em balão volumétrico de 100 mL,
completa-se o volume com água deionizada, obtêm-se uma solução de
1,0.10
-2
mol L
-1
. Transfere-se uma alíquota de 1,00 mL desta solução de cloreto de
amônio 1,0.10
-2
mol L
-1
para um balão de 100 mL, e completa-se o volume com água
deionizada, obtêm-se uma solução de 1,0.10
-4
mol L
-1
.
Solução de ácido fosfórico 0,01 mol L
-1
Transfere-se uma alíquota de 1,68 mL de ácido fosfórico concentrado, para
um balão volumétrico de 1L, e completa-se o volume com água deionizada.
Armazena-se em frasco de vidro.
II.3.2.2.6 Curva de calibração e limite de detecção
A Tabela 04 apresenta os volumes (µL) usados de cada reagente e a ordem
de adição na preparação dos padrões e amostras da curva de calibração, em balões
volumétricos de 5 mL, para determinação espectrofotométrica.
42
Tabela 4. Volumes de reagentes e ordem de adição dos mesmos no preparo de padrões e amostras
para analise de amônia por espectrofotometria molecular (método de Berthelot Modificado, em cubeta
de 1 cm e
λ = 694 nm).
[NH
4
] (µmol.L
-
1
) Salicilato/NaOH
(µL)
Nitroprussiato
(µL)
Hipoclorito
(µL)
NH
4
Cl
(µL)
H
3
PO
4
(µL)
0,0 1000 1000 1000 0 2000
4,0 1000 1000 1000 200 1800
8,0 1000 1000 1000 400 1600
12,0 1000 1000 1000 600 1400
16,0 1000 1000 1000 800 1200
20,0 1000 1000 1000 1000 1000
24,0 1000 1000 1000 1200 800
28,0 1000 1000 1000 1400 600
A Figura 09 apresenta uma curva de calibração típica desta determinação.
0 5 10 15 20 25 30
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
ABS
[NH
4
Cl] (umol.L
-1
)
Figura 9. Curva de calibração para determinação de NH
3
, em H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
, por
espectrofotometria (Método de Berthelot modificado,
λ = 694 nm) (R
2
= 0,9998, y = 0,012x – 0,00248).
43
O limite de detecção foi estimado com base em 3 vezes o desvio padrão, da
relação sinal/ruído do equipamento, para 10 amostras em branco (IUPAC), deste
modo obteve-se um limite de detecção de 0,540 µmol.L
-1
. O limite de quantificação
também foi determinado, com base em 10 vezes o desvio padrão do sinal/ruído
medido das amostras em branco (IUPAC), o valor obtido foi de 1,782 µmol.L
-1
.
II.3.2.2.7 Determinação espectrofotométrica da taxa de permeação de amônia
Como primeira tentativa para avaliar a taxa de permeação determinada pelo
método gravimétrico, utilizou-se a instalação apresentada na Figura 07. Empregou-
se o frasco termostatizado a 35±1ºC, o qual contém o tubo de permeação com 2 mL
de NH
4
OH concentrado. A vazão de gás de arraste foi de 9 L h
-1
controlada por
válvula de agulha e medida com rotâmetro e a umidade relativa em 5%.
Após 24 horas fizeram-se as primeiras medidas com tempo de coleta de 1
minuto. Conectou-se um frasco borbulhador para determinar a eficiência de coleta.
Utilizou-se 5 mL de solução 0,01 mol L
-1
de H
3
PO
4
como solução absorvente.
Os resultados são apresentados na Tabela 05, a média encontrada para a
taxa de permeação é de 1,29.10
-4
mol, com desvio padrão de 8,5%, valor este igual
ao determinado pelo método gravimétrico. Os valores de quantidade de amônia
encontram-se dentro do intervalo de confiabilidade de 95%, foi 1,15.10
-4
mol < µ <
1,42.10
-4
mol de amônia, calculado pelo teste t (HARRIS, 2005).
Tabela 5. Quantidade de amônia coletada para 1 minuto de amostragem, em 5 mL de solução
0,01 mol L
-1
de H
3
PO
4
como solução absorvente e posterior determinação pelo método
espectrofotométrico .
Amostra Quantidade de NH
3
(10
-
4
mol)
A 1,36
B 1,26
C 1,41
D 1,15
1,29±0,11
44
II.3.2.3 Determinação Eletroquímica
II.3.2.3.1 Eletrodos de polipirrol dopados com DBSA
O primeiro trabalho a respeito ao uso de polipirrol como eletrodo modificado e
a potencialidade para a detecção de amônia foi elaborado por Kanazawa e
colaboradores (KANAZAWA et al., 1979), e os resultados revelaram que a exposição
de um filme de polipirrol em face da amônia provoca a diminuição da condutividade,
à temperatura ambiente, em um fator de 10. Porém estes autores relataram que a
amônia interage fracamente com o PPy e pode ser facilmente removida, de modo
que se restaura a condutividade do polímero ao seu estado original.
Baseados em necessidades de quantificação de concentrações de amônia,
pesquisadores tem desprendido esforços no estudo de novos sensores para amônia.
Um sensor de amônia baseado em polipirrol foi uma das primeiras realizações
práticas da utilização de polímeros condutores como sensor (NYLANDER et al.,
1983). Porém sua sensibilidade era muito baixa e sua resposta completamente
irreversível. Investigações mais extensivas foram realizadas por Miasik et al.(1986),
cujos experimentos revelaram que uma camada de polipirrol, depositada em um
eletrodo de trabalho, poderia ser utilizada na detecção de amônia e dióxido de
nitrogênio. Sua condutância decrescia (aumentava) em um ambiente com amônia
(dióxido de nitrogênio).
Os sensores de polipirrol demonstraram uma boa reversibilidade de resposta
para amônia na região de 100 – 10000 ppm, mas a dependência da resposta com a
concentração não foi essencialmente linear, além de que para baixas concentrações
o tempo de resposta era de algumas horas. Outros estudos foram realizados para
polipirrol como camada sensitiva, porém os sensores apresentaram baixa
sensibilidade e uma resposta não reversível (BLANC et al., 1990; GUSTAFSSON e
LUNDSTRÖM, 1987).
A sensibilidade da resistência dos filmes de polipirrol em relação à amônia foi
demonstrada por Nylander e colaboradores (NYLANDER et al., 1983). Gustafsson e
colaboradores (GUSTAFSSON e LUNDSTRÖM, 1987; GUSTAFSSON et al., 1989)
demonstraram que, em baixas concentrações de amônia, o aumento provocado na
45
resistência é reversível, enquanto concentrações acima de 1 atm, ou na presença de
água leva a um aumento irreversível da resistência.
Trojanowicz e colaboradores demonstraram que eletrodos de platina
modificados com um filme de PPy podem ser utilizados como sensores
amperométricos para amônia em soluções aquosas (TROJANOWICZ et al., 1996).
Recentes estudos (DALL’ANTONIA et al., 2002; VIDOTTI et al., 2003;
VIDOTTI et al., 2004) demonstraram que filmes de polipirrol dopados com DBSA
mostraram-se muito promissores para serem empregados na construção de
sensores amperométricos para determinação de quantidades de amônia, uma vez
que a sensibilidade à amônia estende-se por uma região (0 a 1 mM) até quatro
vezes maior do que filmes dopados com íons cloreto e apresentam uma resposta de
corrente bastante acentuada.
II.3.2.3.2 Reagentes e vidraria para análise de amônia utilizando eletrodos
modificados com polipirrol (PPy)
A vidraria usada nesta análise foi descontaminada pelo procedimento já
citado anteriormente.
Solução de polipirrol 0,05 mol L
-1
dopada com o surfactante DBSA
0,05 mol L
-1
Dilui-se em balão volumétrico de 25 mL, 0,0865 mL de pirrol (previamente
purificado por destilação e conservado em geladeira) e 0,436 g de á
cido
dodecilbenzenosulfonato
(DBSA), em água destilada com auxílio de banho
ultrason.
Solução de cloreto de amônio 1,0 mol L
-1
com KCl 0,1 mol L
-1
e H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
46
Em balão volumétrico de 10 mL, dissolve-se 0,535 g de cloreto de amônio e
0,07455 g de cloreto de potássio em de ácido fosfórico 0,01 mol L
-1
.
Solução de KCl 0,1 mol L
-1
com H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
Dissolve-se 0,7455 g de cloreto de potássio em de solução de ácido fosfórico
0,01 mol L
-1
em balão volumétrico de 100 mL.
II.3.2.3.3 – Preparação dos filmes poliméricos
Os filmes de PPy são preparados a partir de solução dopada com DBSA,
aplicando-se um potencial de 0,75 V com potenciostato por 360 segundos, a fim de
se obter a espessura do filme sobre o eletrodo de platina.
II.3.2.3.4 Voltametria cíclica
Após lavar com água destilada o eletrodo de platina com o filme depositado,
realiza-se a voltametria cíclica em KCl 0,1 mol L
-1
com H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
a uma
velocidade de 20 mV/s em um intervalo de potencial de -1,0 a 0,5 V. A Figura 10
representa o voltamograma cíclico para o filme de polipirrol dopado com DBSA, para
solução de KCl 0,1 mol L
-1
e H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
47
-1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
-300
-200
-100
0
100
200
i / A
E / V vs. Ag/AgCl
Figura 10. Voltamograma cíclico para o filme de polipirrol dopado com DBSA, para solução de KCl
0,1 mol L
-1
, em velocidade de 20 mV s
-1
e intervalo de potencial de -1,0 a 0,5 V.
II.3.2.3.5 Curva de calibração e limite de detecção
Para construção da curva de calibração foram realizadas diversas
voltametrias cíclicas, variando-se a concentração de NH
4
Cl (1.10
-4
a 9.10
-4
mol L
-1
).
Para isto utilizou-se de 10 mL KCl 0,1 mol L
-1
com H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
, ao qual foi
adicionado volumes de solução de NH
4
Cl 1,0 mol L
-1
com KCl 0,1 mol L
-1
e H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
, para cada concentração estabelecida. Para cada concentração anota-
se o valor da corrente de pico que é utilizada como curva de calibração.
A Figura 11 representa o voltamograma cíclico para o filme de polipirrol
dopado com DBSA, para diferentes concentrações de cloreto de amônia.
48
-1,0 -0,5 0,0 0,5
-100
0
100
i / A
E / V vs. Ag/AgCl
[NH
4
+
] / 10
-4
M
1.0
3.0
5.0
7.0
9.0
Figura 11. Voltamograma cíclico para o filme de polipirrol dopado com DBSA, para solução de KCl
0,1 mol L
-1
e H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
Os limites de detecção e de quantificação (LD e LQ, respectivamente) são
características do desempenho de cada procedimento de análise e dependem de certas
características do processo em estudo. Segundo a IUPAC, estes parâmetros podem ser
calculados utilizando-se as equações LOD = 3S
b
/B e LOQ = 10S
b
/B. Nestas equações,
Sb corresponde ao valor do desvio padrão dos valores de corrente obtidos da curva
relacionada ao branco, no potencial relativo ao potencial de pico para a redução. Por
outro lado, B é o valor da tangente das curvas de calibração (OLIVEIRA & MACHADO,
2004). Os valores de limite de detecção e quantificação para este método é de 66 µmol
L
-1
e 221 µmol L
-1
.
De acordo com a Figura 11, cada pico de corrente corresponde a um ponto da
curva de calibração. A curva de calibração obtida pelo método eletroquímico é
apresentada na Figura 12.
49
0 200 400 600 800 1000
-125
-120
-115
-110
-105
-100
i
red
/ A
[NH
4
Cl] / mol L
-1
Figura 12. Curva de calibração para análise de NH
3
, por voltametria cíclica, utilizando eletrodo
modificado de PPy dopado com DBSA. (R
2
= 0,997, y = 0,028x – 1,276.10
-4
).
II.3.2.3.6 Determinação eletroquímica da taxa de permeação da amônia
Na determinação eletroquímica, utilizou-se das mesmas soluções
adsorventes usadas na determinação espectrofotométricas. Para a análise
eletroquímica, alguns cuidados foram tomados para melhor desempenho da técnica,
como: ajuste de pH para 12 da solução adsorvente, adição de fosfato de sódio como
eletrólito suporte para evitar interferências. Foram realizadas as voltametrias cíclicas
utilizando as amostras, e anotando suas correntes de picos. Depois se relacionou a
corrente de pico encontrada nas amostras com concentrações de amônia
interpolando-se na curva de calibração. Utilizando a equação da reta da curva de
calibração, foram encontradas as concentrações de amônia nas amostras
Os resultados da determinação de amônia pelo método eletroquímico são
apresentados na Tabela 06. A média da taxa de permeação foi de
1,28.10
-4
mol min
-1
, com desvio padrão de 9,45%. Os resultados apresentados na
Tabela 06, encontram-se dentro do limite de confiabilidade (95%), ou seja, 1,12.10
-4
50
mol < µ < 1,43.10
-4
mol de amônia. Utilizou-se o teste t (HARRIS, 2005) para esta
verificação.
Tabela 6. Quantidade de amônia determinada pelo método eletroquímico, em 1 minuto de
amostragem, coletada em 5 mL de solução H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
Amostra
Quantidade de NH
3
(10
-
4
mol)
1 1,34
2 1,25
3 1,41
4 1,12
1,28±0,12
II.3.3 Estabilidade da taxa de permeação
Para o emprego adequado de um sistema gerador de atmosfera padrão
amônia é importante verificar a estabilidade da taxa de permeação do gás gerado
em dependência de alguns fatores como: vazão do gás de arraste; estabilidade da
taxa de permeação em determinado espaço de tempo.
A unidade de permeação deve-se a uma fonte padrão de gás apresentando
uma taxa constante de permeação. Através da variação da vazão de gás de arraste,
podem-se obter atmosferas padrão de traços de gases a diferentes concentrações.
Para verificar a influencia da variação da taxa de permeação variou-se a
vazão de gás de arraste no intervalo de 1 L h
-1
a 62 L h
-1
. O tempo de coleta foi de
15 minutos, e as amostras em triplicata. Os resultados são apresentados na Tabela
07.
Tabela 7. Taxa de permeação da amônia em diferentes vazões de gás de arraste, determinada pelo
método espectrofotométrico, coletada em 5 mL de solução H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
Vazão do gás de
arraste (L h
-1
)
Taxa de permeação
da amônia
(10
-4
mol min
-1
)
Desvio padrão
relativo (%)
1 1,33 2,85
2 1,29 3,53
9 1,32 6,01
15 1,32 6,55
36 1,32 3,98
62 1,29 7,34
51
Segundo teste t realizado, o limite de confiabilidade encontra-se entre
1,29.10
-4
mol min
-1
< µ < 1,33.10
-4
mol min
-
1. Como se pode observar conforme
resultados calculados pelo teste t, não há influência significativa da vazão do gás de
arraste na taxa de permeação da amônia para esta amostragem.
Foi avaliada também, a influência do tempo no sistema de geração de NH
3
.
Coletou-se em intervalos de tempo de 1, 2, 3 e 4 minutos. Os resultados da
determinação da taxa de permeação pelo método espectrofotométrico e método
eletroquímico são apresentados na Tabela 08. As médias da taxa de permeação
determinadas pelo método espectrofotométrico e eletroquímico, para a variação de
tempo proposta, foram de 1,21.10
-4
mol min
-1
e 1,17.10
-4
mol min
-1
, com os desvios
padrão de 1,6% e 3,4%, respectivamente. Os dois métodos de determinação
apresentaram resultados coerentes para o aumento da quantidade de NH
3
produzida
em relação aos tempos de amostragem. Observa-se uma diferença de 3,3% entre
as médias dos métodos. De acordo com o teste t, no nível de 95% de
confiabilidade, os dois métodos apresentam resultados iguais.
Tabela 8. Quantidade de amônia determinada pelo método espectrofotométrico e eletroquímico, em
diferentes tempo, coletada em 5 mL solução H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
Método espectrofotométrico
M
étodo eletroquímico
Tempo
(mim)
Quantidade de
NH
3
(10
-4
Mol)
Taxa de
permeação
(10
-4
mol min
-1
)
Quantidade
de
NH
3
(10
-4
mol)
Taxa de
permeação
(10
-4
mol min
-1
)
1 1,19 1,18 1,12 1,12
2 2,43 1,21 2,32 1,16
3 3,68 1,23 3,67 1,22
4 4,92 1,23 4,77 1,19
1,21±0,02 1,17±0,04
II.3.4 Comparação entre as determinações espectrofotométricas e
eletroquímicas.
Observa-se que os resultados espectrofotométricos e eletroquímicos são similares
para todas as determinações da quantidade de amônia apresentadas até o
52
momento. O método eletroquímico foi utilizado para assegurar a confiabilidades dos
resultados gravimétricos e espectrofotométricos, para as determinações da taxa de
permeação da amônia até agora demonstrados. Os limites de detecção e
quantificação para o método espectrofotométrico são menores em relação ao
método eletroquímico. Os resultados eletroquímicos apresentam concentrações
idênticas as espectrofotométricas, tendo em vista os cálculos baseados no teste t.
De acordo com estas evidências optou-se pela quantificação de amônia através do
método espectrofotométrico, por ser um método mais fácil de execução.
53
Terceira Parte
INVESTIGAÇÃO SOBRE AMOSTRAGEM DE AMÔNIA NA
ATMOSFERA UTILIZANDO O COMPÓSITO
SiO
2
/ZrO
2
/FOSFATO
54
III Adsorção de gás amônia pelo compósito SPZ
Para verificar a pureza do SPZ a ser utilizado como meio de coleta para
amônia, foi realizada a análise espectroscópica do compósito na região do
infravermelho.
Os espectros de absorção na região do infravermelho foram obtidos do
material prensado em disco de KBr (Ecibra) a 1% (em massa) no espectrofotômetro
(FT-IR 8300, Shimadzu). Os espectros foram registrados em 200 acumulações com
resolução de 4 cm
-1
.
O compósito utilizado para análise foi submetido à presença de amônia
gasosa por um intervalo de tempo de 8 horas. Utilizou-se o procedimento de
geração de atmosfera padrão de amônia ilustrado na Figura 07, e em seguida foi
submetido a análise espectroscópica. Após esta análise, o compósito foi lavado com
solução 0,01 mol.L
-1
de ácido fosfórico. A proporção de compósito e ácido foi
estabelecida em 1g : 50mL. Em seguida o compósito foi lavado com água
deionizada e seco em estufa a 60ºC. O SPZ seco foi submetido a uma nova análise
espectroscópica. Os espectros respectivos as análises espectroscópicas são
mostrados na Figura 13 e 14.
É evidente a diferença entre os dois espectros. O aparecimento de banda à
1400 cm
-1
e o alargamento da banda em 3500 cm
-1
comprovam a capacidade
adsortiva do compósito SPZ, conforma já citado por ALFAYA (2000).
55
4000 3600 3200 2800
transmitância / u.a.
número de onda / cm
-1
SPZ + NH
3
SPZ
NH
3
Figura 13. Espectros na região do infravermelho do óxido na presença de NH
3
adsorvida e após a
dessorção, obtidos de pastilhas de KBr a 1% (em massa), em intervalo de comprimento de onda de
4000 a 2800 cm
-1
.
2000 1500 1000
transmitância / u.a.
número de onda / cm
-1
SPZ + NH
3
SPZ
NH
3
Figura 14. Espectros na região do infravermelho do óxido na presença de NH
3
adsorvida e após a
dessorção, obtidos de pastilhas de KBr a 1% (em massa), em intervalo de comprimento de onda de
2000 a 800 cm
-1
.
56
III.1 Determinação da quantidade de NH
3
adsorvida pelo SPZ
Para verificar a eficiência de adsorção, utilizou-se a instalação apresentada
na Figura 07. Os ensaios para verificar a capacidade do compósito foram baseados
em: massa constante de SPZ, taxa de permeação, variação de tempo, variação da
vazão de o gás de arraste e variação do comprimento do tudo de teflon recheado
com SPZ. As variações e os respectivos resultados são dispostos a seguir.
III.1.1 Variação do comprimento do tubo de teflon recheado com o compósito
SPZ
III.1.1.1 Tubo de teflon de 7,5 cm de comprimento e 0,3 cm de diâmetro interno,
recheado com o compósito SPZ
Nesta determinação espectrofotométrica da eficiência do SPZ para coleta de
NH
3
gasosa, variou-se o tempo de coleta em 5, 10 e 15 minutos; variou-se também
a vazão de gás de arraste em 2 e 9 L h
-1
. Manteve-se fixo a massa de SPZ em
0,5 gramas, o tamanho do tubo de teflon em 7,5 cm. A Tabela 09 mostra a
quantidade de produzida em 5, 10 e 15 minutos, considerou-se a taxa de permeação
de NH
3
em 4,63.10
-6
mol min
-1
.
Tabela 9. Quantidade de NH
3
determinada por gravimetria, em diferentes tempos de amostragem.
Tempo (min)
Amônia
gerada
(10
-
5
mol)
5 2,31
10 4,63
15 6,94
A Tabela 10 apresenta os resultados para a determinação
espectrofotométrica, para adsorção de NH
3
para vazão de gás de arraste 9 L h
-1
em
tubo de teflon de 7,5 cm de comprimento. Como se pode observar para o método
57
espectrofotométrico, em média, 19,79% da amônia foi adsorvida pelo compósito
quando se amostrou por 5 minutos. Já com amostragem de 10 minutos, apesar de
se coletar em média 3,93.10
-6
mol a mais de amônia, a eficiência de adsorção
diminuiu para 18,37%. Para amostragem de 15 minutos a percentagem de adsorção
é de 16,62%. Para amostragem de 15 minutos a percentagem de adsorção é de
14,27%. Os desvios padrões foram de 3,63%, 4,13% e 4,51% respectivamente.
Como se pode observar na Tabela 10, apesar dos valores crescentes, em
quantidade de NH
3
adsorvida com o aumento do tempo de amostragem e da
quantidade enviada pela vazão do gás de arraste, ocorre decréscimo da eficiência
de adsorção. Pode-se relacionar este fato com a pressão exercida pela vazão do
gás de arraste sob o compósito uma vez que este é um pó fino, de fácil
compactação, o que pode impedir a passagem das moléculas de NH
3
contidas no
gás de arraste.
Tabela 10. Determinação espectrofotométrica da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 9 L h
-1
, em tubo de teflon de 7,5 cm, em 5 mL de solução
H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
..
Tempo (min) amostra NH
3
(10
-
6
mol) Adsorção (%)
5 1A 4,57 19,75
5 2A 4,41 19,08
5 3A 4,75 20,53
4,57±0,16
19,79±0,72
10 1B 8,10 17,51
10 2B 8,62 18,63
10 3B 8,78 18,96
8,50±0,35 18,37±0,76
15 1C 11,29 16,25
15 2C 11,20 16,12
15 3C 12,14 17,48
11,54±0,52
16,62±0,75
A Tabela 11 apresenta os resultados para a determinação
espectrofotométrica para adsorção de NH
3
para uma vazão de gás de arraste de
2 L h
-1
em tubo de teflon de 7,5 cm de comprimento. Como se pode observar, em
média, 12,23% da amônia foi adsorvida pelo compósito quando se amostrou por 5
58
minutos. Já com amostragem de 10 minutos, a eficiência de adsorção aumentou
para 14,19%. Os desvios padrões foram de 4,90%, 0,56% e 0,35% respectivamente.
A quantidade de NH
3
adsorvida na vazão de gás de arraste de 2 L h
-1
é
proporcional ao aumento do tempo de amostragem.
Considerando os resultados apresentados nas Tabelas 10 e 11, pode-se dizer
que a capacidade adsortiva do compósito SPZ é mais eficiente para vazão de gás
de arraste de 9 L h
-1
. Pode-se dizer tambem que a eficiencia de coleta é maior para
menores tempos de amostragem para esta condição de vazão.
Tabela 11. Determinação espectrofotométrica da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 2 L h
-1
, em tubo de teflon de 7,5 cm, em 5 mL de solução
adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
Tempo (min) Amostra NH
3
(10
-
6
mol) Adsorção (%)
5 1A 2,88 12,44
5 2A 2,71 11,74
5 3A 2,71 11,74
5 4A 3,00 12,99
2,83±0,14 12,23±0,60
10 1B 6,60 14,26
10 2B 6,60 14,26
10 3B 6,52 14,09
10 4B 6,55 14,14
6,57±0,27
14,19±0,08
15 1C 9,91 14,27
15 2C 9,87 14,22
15 3C 9,96 14,35
15 4C 9,91 14,27
9,91±0,03
14,27±0,05
III.1.1.2 Tubo de teflon de 3 cm de comprimento e 0,7 cm de diâmetro interno,
recheado com o compósito SPZ
Nesta determinação espectrofotométrica da eficiência do SPZ para coleta de
NH
3
gasosa, variou-se o tempo de coleta em 5, 10 e 15 minutos; variou-se também
a vazão de gás de arraste em 2 e 9 L h
-1
. Manteve-se fixo a massa de SPZ em
59
0,5 gramas, o comprimento do tubo de teflon em 3 cm e a taxa de permeação em
2,35.10
-6
mol min
-1
.
A Tabela 12 mostra a quantidade NH
3
de produzida em 5, 10 e 15 minutos,
considerou-se a taxa de permeação de 2,35.10
-6
mol min
-1
.
Tabela 12. Quantidade de NH
3
determinada gravimetricamente, em diferentes tempos de
amostragem.
Tempo (min)
Amônia geração
(10
-
5
mol)
5 2,35
10 3,52
15 4,70
Na Tabela 13 são apresentados os resultados para a determinação
espectrofotométrica para adsorção de NH
3
para uma vazão de gás de arraste de
2 L h
-1
e tubo de teflon de 3 cm de comprimento. Como se pode observar para o
método espectrofotométrico, em média, 15,88% da amônia foi adsorvida pelo
compósito quando se amostrou por 5 minutos. Já com amostragem de 10 minutos, a
eficiência de adsorção diminuiu para 8,93%. Para amostragem de 15 minutos a
percentagem de adsorção foi de 3,55%. Mais uma vez notou-se que os resultados
de maiores percentagem de adsorção são para tempos menores de amostragem
nesta condição de vazão. Os desvios padrões da adsorção para estes tempos de
amostragem foram de 1,19%, 0,22% e 0,56%, respectivamente.
Tabela 13. Determinação espectrofotométrica da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 9 L h
-1
, em tubo de teflon de 3 cm, em 5 mL de solução
adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
..
Tempo (min) Amostra NH
3
(10
-
6
mol) Adsorção (%)
5 1A 3,78 16,08
5 2A 3,69 15,70
5 3A 3,73 15,87
3,73±0,04
15,88±0,19
10 1B 3,16 8,97
10 2B 3,14 8,92
10 3B 3,14 8,92
3,14±0,01 8,93±0,02
15 1C 1,67 3,53
15 2C 1,68 3,57
15 3C 1,67 3,55
1,67±0,0
1
3,55±0,02
60
Na Tabela 14 são apresentados os resultados para adsorção de NH
3
para
uma vazão de gás de arraste de 2 L h
-1
e tubo de teflon de 3 cm de comprimento.
Como se pode observar para o método espectrofotométrico, em média, 9,92% da
amônia foi adsorvida pelo compósito quando se amostrou por 5 minutos,
apresentando um desvio padrão de 0,30%. Já com amostragem de 10 minutos, a
eficiência de adsorção diminuiu para 6,10%, e desvio padrão de 0,49%. Para
amostragem de 15 minutos a percentagem de adsorção é de 2,77%, e desvio
padrão de 4,33%.
Notou-se que os resultados de maior percentagem de adsorção são para
tempos menores de amostragem, assim como para os resultados obtidos para
vazão de 9 L h
-1
. Os percentuais obtidos para a vazão de gás de arraste de 2 L h
-1
,
diminuíram com o aumento do tempo de amostragem, inversamente aos percentuais
encontrados na Tabela 11, conclui-se que o tamanho do tubo recheado de
compósito influência na quantidade de NH
3
adsorvida.
Tabela 14. Determinação espectrofotométrica da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 2 L h
-1
, em tubo de teflon de 3 cm, em 5 mL de solução
adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
Tempo (min) Amostra NH
3
(10
-
6
mol) Adsorção (%)
5 1A 2,32 9,89
5 2A 2,33 9,91
5 3A 2,34 9,96
2,33±0,01 9,92±0,03
10 1B 2,16 6,14
10 2B 2,14 6,09
10 3B 2,14 6,07
2,15±0,01
6,10±0,03
15 1C 1,37 2,92
15 2C 1,28 2,72
15 3C 1,26 2,68
1,30±0,06 2,77±0,12
III.1.2 Influência da vazão do gás de arraste na adsorção do compósito SPZ
61
Nestas determinações espectrofotométricas da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa, variou-se o tempo de coleta em 5, 10 e 15 minutos; variou-se também a
vazão de gás de arraste em 1, 2, 9, 15, 36, 62 L h
-1
. Manteve-se fixo a massa de
SPZ em 0,5 gramas, o comprimento do tubo de teflon em 7,5 cm.
III.1.2.1 Influência da vazão do gás de arraste de 1 L h
-1
A Tabela 15 apresenta as quantidades gravimétricas de amônia gerada em 5,
10 e 15 minutos.
Tabela 15. Quantidade de NH
3
determinada gravimetricamente para coleta para vazão de 1 L h
-1
de
gás de arraste.
Tempo (min)
Amônia
gerada
(10
-
5
mol)
5 1,26
10 2,53
15 3,30
A Tabela 16 apresenta os valores de amônia adsorvida durante a
amostragem.
Tabela 16. Determinação espectrofotométrica, da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 1 L h
-1
, em 5 mL de solução adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
Tempo (min) Amostra NH
3
(10
-
6
mol) Adsorção (%)
5 1A 0,43 3,45
5 2A 0,49 3,89
5 3A 0,41 3,24
0,44±0,04
3,53±0,33
10 1B 1,18 4,65
10 2B 1,09 4,33
10 3B 1,26 4,98
1,18±0,08 4,65±0,32
15 1C 1,90 5,78
15 2C 1,94 5,89
15 3C 1,87 5,66
1,87±0,04
5,78±0,12
62
Para o tempo de amostragem de 5 minutos obteve-se uma eficiência de
3,53%, com desvio padrão de 9,34%. Para a amostragem realizada em 10 minutos,
observa-se uma percentagem de adsorção de 4,65%, com desvio padrão de 6,88%.
A maior percentagem em adsorção é apresentada para o tempo de 15 minutos,
5,78%, o que representa uma média de 1,87.10
-6
mol de amônia. O menor valor de
desvio padrão também foi observado para este tempo de amostragem, sendo de
2,07%.
Para a vazão de gás de arraste de 1 L h
-1
, a melhor eficiência foi para o tempo
de amostragem de 15 minutos.
III.1.2.2 Influência da vazão do gás de arraste de 2 L h
-1
Para a determinação da quantidade de amônia adsorvida pelo compósito
SPZ, nos intervalos de tempo de 5, 10 e 15 minutos, determinou-se
gravimetricamente a quantidade gerada de amônia para estes intervalos de tempo.
Os valores encontrados são apresentados na Tabela 17.
Tabela 17. Quantidade de NH
3
determinada gravimetricamente para coleta para vazão de 2 L h
-1
de
gás de arraste.
Tempo (min) Amônia gerada (10
-
5
mol)
5 2,31
10 4,63
15 6,94
Após a amostragem para os intervalos de tempo propostos e sob a vazão de
gás de arraste na vazão de 2 L h
-1
, fez-se a quantificação da amônia adsorvida,
através de espectrofotometria. Os resultados são apresentados na Tabela 18.
Nota-se um aumento na percentagem de adsorção da amônia pelo
compósito, proporcionalmente ao aumento do tempo de coleta. Para tempos de
coleta de 5 minutos foram adsorvidos 2,86.10
-6
mol de amônia perfazendo um total
de 12,39 % em relação a quantidade de amônia. Os valores para 10 e 15 minutos
63
foram de 14,16% e 14,28 %, respectivamente. Os desvios padrões na percentagem
de adsorção são de 5,09%, 0,63% e 0,49%, respectivamente.
Tabela 18. Determinação espectrofotométrica, da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 2 L h
-1
, em 5 mL de solução adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
Tempo (min)
A
mostra
NH
3
(10
-
6
mol)
Adsorção (%)
5 1ª 2,88 12,44
5 2A 2,71 11,74
5 3A 3,00 12,99
2,86±0,14
12,39±0,63
10 1B 6,60 14,26
10 2B 6,52 14,09
10 3B 6,55 14,14
6,55±0,04 14,16±0,09
15 1C 9,91 14,27
15 2C 9,87 14,22
15 3C 9,96 14,35
9,91±0,05
14,28±0,07
Os resultados encontrados nas Tabelas 16 e 18 demonstram uma melhor
eficiência na adsorção para uma vazão maior de gás de arraste para maiores
tempos de amostragem.
III.1.2.3- Influência da vazão do gás de arraste de 9 L h
-1
Baseado no método gravimétrico foi determinado a velocidade de permeação
da amônia em 4,62.10
-6
mol min
-1
, produzidas em atmosfera padrão como
apresentada na Figura 07, sob vazão de gás de arraste de 9 L h
-1
. Em relação a
velocidade de permeação, quantidades de amônia foram determinadas
gravimetricamente para intervalos de tempo de 5, 10 e 15 minutos, como
apresentados na Tabela 19.
64
Tabela 19. Quantidade de NH
3
produzida determinada gravimetricamente para coleta em vazão de
9 L h
-1
de gás de arraste.
Tempo (min) Amônia gerada (10
-
5
mol)
5 2,31
10 4,63
15 6,94
Os resultados referentes à adsorção do compósito SPZ frente à amônia
produzida em atmosfera padrão sob vazão de 9 L h
-1
, são apresentados na Tabela
20. Para esta condição de vazão, a amostragem realizada durante 5 minutos
apresenta uma maior percentagem de adsorção em relação aos tempos de
amostragem de 10 e 15 minutos. As percentagens foram de 19, 79% para 5 minutos
de amostragem, 18, 37% para 10 minutos e 16,62% para 15 minutos,
respectivamente. Para esta vazão de gás de arraste, observa-se uma maior
percentagem de adsorção para tempos menores de amostragem. Observa-se que o
compósito SPZ sobre empacotamento dentro do tubo de teflon, uma vez que uma
das propriedades físicas deste composto é sua baixa granulometria, ou seja, o
compósito se apresenta na forma de um pó muito fino, podendo ser facilmente
empacotado sob uma moderada vazão de gás de arraste.
Tabela 20. Determinação espectrofotométrica, da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 9 L h
-1
, em 5 mL de solução adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
Tempo (min)
A
mostra
NH
3
(10
-
6
mol)
Adsorção (%)
5 1A 4,57 19,75
5 2A 4,41 19,08
5 3A 4,75 20,53
4,57±0,16
19,79±0,72
10 1B 8,10 17,51
10 2B 8,62 18,63
10 3B 8,78 18,96
8,50±0,35 18,37±0,76
15 1C 11,29 16,25
15 2C 11,20 16,12
15 3C 12,14 17,48
11,54±0,52
16,62±0,75
65
Os resultados de percentagem da Tabela 20, quando comparados aos
resultados das Tabelas 16 e 18, apresentam uma inversão de percentagem de
adsorção em relação ao tempo de amostragem.
III.1.2.4 Influência do fluxo do gás de arraste de 15 L h
-1
Na Tabela 21 estão dispostas às quantidades de amônia gerada,
determinadas pelo método gravimétrico, referentes aos tempos de 5, 10 e 15
minutos, para vazão de gás de arraste de 15 L h
-1
.
Tabela 21. Quantidade de NH3 produzida determinada gravimetricamente para coleta em vazão de
15 L h
-1
de arraste.
Tempo (min) Amônia gerada (10
-
5
mol)
5 0,73
10 1,47
15 2,20
Após a amostragem para os intervalos de tempo propostos e sob a vazão de
gás de arraste na vazão de 15 L h
-1
, fez-se a quantificação da amônia adsorvida,
através de espectrofotometria. Os resultados são apresentados na Tabela 22.
Para o tempo de amostragem de 5 minutos obteve-se uma eficiência de
28,54%, com desvio padrão de 1,68%. Para a amostragem realizada em 10 minutos,
observa-se uma percentagem de adsorção de 19,74%, com desvio padrão de
2,53%. A menor percentagem em adsorção é apresentada para o tempo de
15 minutos, 16,62%. O maior valor de desvio padrão também foi observado para
este tempo de amostragem, sendo de 3,18%.
66
Tabela 22. Determinação espectrofotométrica, da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 15 L h
-1
, em 5 mL de solução adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
Tempo (min)
Am
ostra
NH
3
(10
-
6
mol)
Adsorção (%)
5 1A 2,11 28,87
5 2A 2,04 27,99
5 3A 2,10 28,77
2,08±0,04
28,54±0,48
10 1B 2,97 20,22
10 2B 2,90 19,78
10 3B 2,82 19,22
2,89±0,08 19,74±0,50
15 1C 3,75 17,06
15 2C 3,52 16,03
15 3C 3,69 16,78
3,65±0,12
16,62±0,53
III.1.2.5 Influência da vazão do gás de arraste de 36 L h
-1
Para a determinação da quantidade de amônia adsorvida pelo compósito
SPZ, nos intervalos de tempo de 5, 10 e 15 minutos, determinou-se
gravimetricamente a quantidade gerada de amônia para estes intervalos de tempo.
Os valores encontrados são apresentados na Tabela 23.
Tabela 23. Quantidade de NH
3
produzida determinada gravimetricamente para coleta em vazão de
36 L h
-1
de gas de arraste.
Tempo (min)
Amônia disponível (10
-
5
mol)
5 1,26
10 2,53
15 3,30
Os resultados referentes à adsorção do compósito SPZ frente à amônia
produzida em atmosfera padrão sob vazão de 36 L h
-1
, são apresentados na Tabela
24.
Tabela 24. Determinação espectrofotométrica, da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 36 L h
-1
, em 5 mL de solução adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
Tempo (min) amostra NH
3
(10
-
6
mol) Adsorção (%)
67
5 1A 7,67 60,87
5 2A 7,78 61,66
5 3A 7,56 60,03
7,67±0,11
60,85±0,82
10 1B 10,12 40, 36
10 2B 9,89 39,13
10 3B 10,03 39,67
10,01±0,12 39,40±0,38
15 1C 6,15 18,65
15 2C 5,83 17,66
15 3C 6,02 18,23
6,00±0,16
18,18±0,49
Para esta condição de vazão, a amostragem realizada durante 5 minutos
apresenta uma maior percentagem de adsorção em relação aos tempos de
amostragem de 10 e 15 minutos. As percentagens foram de 60,85% para 5 minutos
de amostragem, 39,40% para 10 minutos e 18,18% para 15 minutos,
respectivamente. Os desvios padrões na percentagem de adsorção foi de 1,34%,
0,96% e 2,69%, respectivamente.
III.1.2.6- Influência da vazão do gás de arraste de 62 L h
-1
Para a determinação da quantidade de amônia adsorvida pelo compósito
SPZ, nos intervalos de tempo de 5, 10 e 15 minutos, determinou-se
gravimetricamente a quantidade gerada de amônia para estes intervalos de tempo.
Os valores encontrados são apresentados na Tabela 25.
Tabela 25. Quantidade de NH
3
produzida determinada gravimetricamente para coleta em vazão de
62 L h
-1
de gás de arraste.
Tempo (min) Amônia gerada (10
-
5
mol)
5 0,73
10 1,47
68
15 2,20
Após a amostragem para os intervalos de tempo propostos e sob a vazão de
gás de arraste de 62 L h
-1
, fez-se a quantificação da amônia adsorvida, através de
espectrofotometria. Os resultados são apresentados na Tabela 26.
Para o tempo de amostragem de 5 minutos obteve-se uma eficiência de
40,91%, com desvio padrão de 3,59%. Para a amostragem realizada em 10 minutos,
observa-se uma percentagem de adsorção de 13,90%, com desvio padrão de
0,71%. A maior percentagem em adsorção é apresentada para o tempo de
15 minutos, 8,47%, o que representa uma média de 1,87.10
-6
mol de amônia. O
valor de desvio padrão também foi observado para este tempo de amostragem,
sendo de 2,00%.
Tabela 26. Determinação espectrofotométrica, da eficiência do SPZ para coleta de NH
3
gasosa
amostrados em 5, 10 e 15 minutos a 62 L h
-1
, em 5 mL de solução adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
Tempo (min) Amostra NH
3
(10
-
6
mol) Adsorção (%)
5 1A 2,96 40,27
5 2A 3,03 42,59
5 3A 2,93 39,86
2,97±0,05
40,91±1,47
10 1B 2,03 13,81
10 2B 2,04 13,88
10 3B 2,06 14,01
2,04±0,05 13,90±0,10
15 1C 1,89 8,59
15 2C 1,82 8,27
15 3C 1,88 8,54
1,86±0,04
8,47±0,17
III.1.3 Relação entre porcentagem de adsorção e a influência da variação da
vazão do gás em 1, 2, 9, 15, 36 e 62 L h
-1
69
Segundo os dados apresentados na Tabela 27, verifica-se uma melhor
eficiência de adsorção do compósito SPZ frente à amônia, para vazão de gás de
arraste de 36 L h
-1
.
Tabela 27. Percentagem de adsorção do CPZ em diferentes vazões de gás de arraste.
Tempo de
amostragem
(min)
Porcentagem de adsorção em diferentes
vazão de gás de arraste (L
h
-
1
)
1 2 9 15 36 62
5 A
3,45 12,44 19,75 28,87 60,87 40,27
5 B
3,89 11,74 19,08 27,99 61,66 42,59
5 C
3,24 12,99 20,53 28,77 60,03 39,86
3,53±0
,33
12,39±0,63
19,79±0,72
28,54±0,48
60,85±0,82
40,91±1,47
10 A
4,65 14,26 17,51 20,22 40,36 13,81
10 B
4,33 14,09 18,63 19,78 39,13 13,88
10 C
4,98 14,14 18,96 19,22 39,67 14,01
4,65±0,32
14,16±0,09
18,37±0,76
19,74±0,50
39,40±0,38
13,90±0,10
15 A
5,78 14,27 16,25 17,06 18,65 8,59
15 B
5,89 14,22 16,12 16,03 17,66 8,27
15 C
5,66 14,35 17,48 16,78 18,23 8,54
5,78±0,12
14,28±0,07
16,62±0,75
16,62±0,53
18,18±0,49
8,47±0,17
O tempo de amostragem de 5 minutos apresenta a maior percentagem, em
relação aos tempos de 10 e 15 minutos. Diante dos dados apresentados a
amostragem de amônia em instalação para criação de frango de corte será realizada
em vazão de gás de arraste de 36 L h
-1
em 5 minutos de amostragem. Entretanto as
amostragens para tempos de 10 e 15 minutos também serão verificadas. A
integridade cristalina do compósito SPZ pode ser comprometida devido o manejado
constante, uma vez que a cada amostragem ele é lavado com solução de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
e água deionizada, levado a secagem em estufa e novamente
introduzido no tubo utilizado para coleta. O aumento da vazão de gás de araste
acarreta no empacotamento do compósito dentro do tubo, o que leva muitas vezes a
sua fragmentação e conseqüentemente na perda de sítios adsorventes. Percebe-se
uma diminuição da massa do compósito durante o processo de adsorção, uma vez
que o tudo onde o compósito é acomodado é vedado com algodão. Estes fatos
justificam a diminuição da percentagem de adsorção de NH
3
em tempos de
amostragens maiores para vazões de gás de arrastes maiores.
70
III.2 Determinação de NH
3
em ambiente avícola: amostragem em Granja de
frango de corte
III.2.1 Amostragem de NH
3
com tubo adsorvente comparada à amostragem
com tubo borbulhador
Condições de amostragem na matriz atmosférica:
Dimensões da instalação avícola: 18m comprimento, 8m de largura e 2,2 m de altura
Temperatura ambiente: 31
o
C
Umidade Relativa: 43%
População de aves: 11 mil animais
Idade das aves: 21 dias
Cama: casca de arroz
A Instalação apresenta aspersores de água distribuídos a cada 2 metros de
distancia no sentido da largura, e a casa 2,5 metros de distancia em relação ao
comprimento do galpão. Também apresenta ventiladores distribuídos no ao longo do
galpão. A função destes dois aparatos é diminuir a temperatura dentro do aviário, e
conseqüentemente diminui a concentração de amônia presente.
Foram empregados os tempos de amostragem de 5, 10 e 15 minutos em
triplicatas. Na Tabela 28 estão apresentadas às médias das concentrações de
amônia coletada no galpão de confinamento dos frangos em diferentes tempos de
amostragem, utilizando o frasco borbulhador. Esta coleta foi realizada de modo
comparar as quantidades de amônia adsorvidas pelo SPZ.
Tabela 28. Concentração de NH
3
quantificada no interior da granja de frangos de corte, pelo método
espectrofotométrico, na vazão de 36 L h
-1
, em frasco borbulhador contendo 5 mL de solução
adsorvente de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
Tempo (min)
Concentração de amônia
g m
-3
ppm
5 0,99 1,31
10 0,98 1,29
15 0,97 1,28
71
As concentrações de amônia são apresentadas em g cm
-3
bem como em
ppm, uma vez que estas são mais usuais como unidades de medidas atmosféricas.
Na Tabela 29 estão apresentadas às concentrações de amônia coletada com
o compósito SPZ, no interior do galpão de confinamento dos frangos em diferentes
tempos de amostragem.
Tabela 29. Concentração de NH
3
quantificada no interior da granja de frangos de corte, pelo método
espectrofotométrico, vazão de 36 L h
-1
, com tubo recheado com SPZ, em 5 mL de solução adsorvente
de H
3
PO
4
0,01 mol L
-1
.
Tempo (min)
Concentração de amônia
g m
-3
ppm g m
-3
(corr)
ppm
(corr)
5 0,57 0,75 0,60 0,79
10 0,34 0,45 0,38 0,50
15 0,14 0,19 0,17 0,23
Os dados referentes às concentrações de amônia apresentados na Tabela
29, demonstram a eficiência do compósito SPZ em adsorver NH
3
. A concentração de
0,79 ppm comprova o valor de 60% de adsorção previsto para o tempo de
amostragem de 5 minutos, percentagem esta tomada como referencia para este
estudo de campo. AS concentração para os tempo de 10 e 15 minutos, também
foram os esperados e previstos pelas condições laboratoriais.
72
Conclusões
Finalizando provou-se experimentalmente a possibilidade de utilização do
compósito SPZ como amostrador para coleta de amônia.
Através do estudo laboratorial é possível garantir a eficiência do amostrador
em 60%, para tempos de coleta de 5 minutos e vazão de gás de arraste de 36 L h
-1
.
O método de geração padrão de atmosfera foi utilizado uma vez que as
condições de estudo podem ser controladas, como: temperatura, umidade do ar,
vazão de gás de arraste, concentração da espécie de interesse.
As metodologias: gravimétrica, espectrofotométrica e eletroquímica
apresentaram bons resultados para quantificação da amônia gerada em atmosfera
padrão. Devido a baixos percentuais de diferença entre os métodos:
espectrofotométrico e eletroquímico, optou-se pelo espectrofotométrico pela maior
facilidade e menor tempo para execução da técnica além de baixo limite de detecção
e quantificação.
Os tamanhos dos tubos de teflon, utilizados para servir de suporte ao
compósito também apresentaram significativa influência. Tubos de 7 cm de
comprimento e 0,3 cm de diâmetro apresentaram melhores resultados para o
referido estudo.
As vazões de gás de arraste demonstram eficiências de adsorção de amônia
pelo compósito SPZ em diferentes percentagens. A maior percentagem é referente à
vazão de 36 L h
-1
, apresentando 60% de eficiência.
As concentrações de amônia adsorvida pelo compósito nas instalações
avícolas são reprodutíveis às condições laboratoriais. Estes valores estão abaixo do
limite estipulados para condições de trabalho humano, bem como para confinamento
de frangos de corte.
O compósito SPZ mostrou-se uma ferramenta muito útil para análises
ambientais, por ser de fácil manejo, o que possibilita uma análise rápida, eficiente e
conveniente.
73
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Anexos
Tabela 30. Média das concentrações de amônia encontradas para tempos de 5, 10 e 15 minutos,
através de frasco borbulhador, em instalação avícola
.
Tempo (min) Concentração de amônia
(10
-4
mol) grama/m
3
5 A 1,78
5 B 1,63
5 C 1,88
1,76±0,12
10 A 3,35
10 B 3,44
10 C 3,59
3,46±0,12
15 A 4,84
15 B 5,44
15 C 5,18
5,15±0,30
Tabela 31. Quantidade de NH
3
adsorvida pelo compósito SPZ, em 5 minutos de amostragem em
granja de frango de corte, para fluxos de ar de 36 L.h
-1
.
Amostra
NH
3
(10
-
4
mol)
Adsorção (%)
1 1,00 56,81
2 1,04 59,09
3 0,92 52,27
4 1,02 57,95
5 0,99 56,25
6 0,94 53,40
7 1,01 57,38
8 1,09 61,93
9 0,97 55,11
10 1,10 62,50
11 0,97 55,11
12 1,04 59,09
13 1,03 58,52
14 0,97 55,11
15 1,04 59,09
16 1,03 58,52
17 0,98 55,68
18 1,02 57,95
19 1,02 57,95
20 1,04 59,09
1,01±0,04 57,44±2,55
82
Tabela 32. Quantidade de NH
3
adsorvida pelo compósito SPZ, em 10 minutos de amostragem em
granja de frango de corte, para fluxos de ar de 36 L.h
-1
.
Amostra
NH
3
(10
-
4
mol)
Adsorção (%)
1 1,29 37,28
2 1,18 34,10
3 1,34 38,72
4 1,26 36,41
5 1,17 33,81
6 1,12 32,36
7 1,15 33,23
8 1,31 37,86
9 1,28 36,99
10 1,26 36,41
11 1,17 33,81
12 1,20 34,68
13 1,17 33,81
14 1,26 36,41
15 1,28 36,99
16 1,31 37,86
17 1,32 38,15
18 1,13 32,65
19 1,22 35,26
20 1,30 37,57
1,23±0,06
35,71
±
2,00
Tabela 33. Quantidade de NH
3
adsorvida pelo compósito SPZ, em 15 minutos de amostragem em
granja de frango de corte, para fluxos de ar de 36 L.h
-1
.
Amostra
NH
3
(10
-
5
mol)
Adsorçã
o (%)
1 7,90 15,34
2 9,08 17,64
3 6,68 12,97
4 7,54 14,65
5 8,13 15,78
6 8,49 16,49
7 7,94 15,41
8 7,32 14,21
9 6,84 13,29
10 8,69 16,88
11 8,76 17,01
12 8,61 16,71
13 8,10 15,73
14 7,45 14,46
15 7,91 15,35
16 6,89 13,38
17 8,40 16,32
18 6,98 13,55
19 7,62 14,8
20 8,07 15,67
7,87±0,69
15,28
±
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