Análise de chumbo do solo usando espectroscopia de absorção atômica

Fonte: Laboratórios de Margaret Workman e Kimberly Frye - Universidade Depaul

O chumbo ocorre naturalmente no solo, em níveis que variam de 10 a 50 ppm. No entanto, com o uso generalizado de chumbo na tinta e na gasolina, além da contaminação pela indústria, os solos urbanos muitas vezes têm concentrações de chumbo significativamente maiores que os níveis de fundo – até 10.000 ppm em alguns lugares. Os problemas em curso surgem do fato de que o chumbo não se biodegrada e, em vez disso, permanece no solo.

Riscos graves à saúde estão associados ao envenenamento por chumbo, onde as crianças estão particularmente em risco. Milhões de crianças nos EUA estão expostas ao solo contendo chumbo. Essa exposição pode causar problemas de desenvolvimento e comportamento em crianças. Esses problemas incluem deficiências de aprendizagem, desatenção, crescimento atrasado e danos cerebrais. A Agência de Proteção Ambiental estabeleceu um padrão de chumbo no solo em 400 ppm para áreas de jogo e 1.200 ppm para áreas não-de-jogo.

O chumbo também é preocupante no solo, quando é usado para jardinagem. As plantas tomam chumbo do solo. Portanto, vegetais ou ervas cultivadas em solo contaminado podem levar ao envenenamento por chumbo. Além disso, partículas de solo contaminadas podem ser respiradas durante a jardinagem ou trazidas para dentro de casa com roupas e calçados. Recomenda-se que solos com níveis de chumbo superiores a 400 ppm não devem ser utilizados para jardinagem. Recomenda-se ainda que o solo com níveis de chumbo entre 100 e 400 ppm não seja utilizado para vegetais ou ervas frondosas, pois o chumbo pode ser armazenado nas folhas. Em uma nota semelhante, os vegetais radiculares não devem ser cultivados neste solo, pois o chumbo também pode se acumular em raízes vegetais.

Espectrometria de absorção atômica, ou AAS, é uma técnica de análise elementar que fornece informações quantitativas sobre mais de 50 elementos diferentes. Concentrações tão baixas quanto partes por bilhão (ppb) podem ser determinadas para alguns elementos, com partes por milhão (ppm) sendo mais comuns para vários metais. Este método tem vários benefícios em relação aos outros. Por exemplo, essa técnica mede a concentração total de um elemento, independentemente de sua forma. Além disso, o comprimento de onda utilizado é específico para o elemento que está sendo testado, portanto não há interferência de outros elementos na amostra, tornando-o uma técnica rápida e fácil.

A AS baseia-se na absorção de comprimentos de onda discretos de luz por átomos terrestres e de fase de gás. Uma lâmpada de cátodo oco é usada para emitir luz com a frequência específica. Átomos de diferentes elementos absorvem comprimentos de onda característicos de luz. A energia absorvida excita os elétrons no elemento alvo de seu estado terrestre para um estado de maior energia. A quantidade de luz absorvida é proporcional à concentração do elemento na amostra. Utilizando uma curva padrão, a concentração do elemento na amostra pode então ser determinada.

1. Coleta e Preparação do Solo

1. Em áreas não perturbadas, colete o solo da parte superior de 1-2 polegadas do solo. Se provar hortas, colete amostras profundas de 6 polegadas. Use um solo para coletar um núcleo de solo de 1 polegada de diâmetro da área da amostra.
2. Misture bem a amostra agitando por 2 minutos e peneira usando uma peneira uss #10.
3. Seque o solo em forno de 40 °C por 24 h.

2. Digestão amostral

1. Utilizando um equilíbrio analítico, pese 1 g da amostra do solo e coloque em um tubo de digestão. Registo o peso da amostra em quatro casas decimais.
2. Em um capô, adicione 5 mL de água ao tubo de digestão.
3. Adicione 5 mL de HNO₃ concentrado ao tubo de digestão.
4. Misture o chorume com uma haste de agitação. Cubra o tubo de digestão com uma rolha de vidro teardrop.
5. Coloque o tubo de digestão no digestor do bloco e aqueça a amostra a 95 °C e refluxo por 10 minutos sem ferver(Figura 1). Lembre-se que isso contém ácido concentrado.
6. Deixe os tubos esfriarem. Adicione 5 mL de HNO₃ concentrado ao tubo de digestão, substitua o vidro de gota e refluxo por mais 30 minutos. Se os vapores marrons forem gerados, repita este passo várias depois até que nenhum vapor marrom seja dado pela amostra.
7. Evaporar a solução para um volume de 5 mL sem ferver.
8. Deixe os tubos esfriarem e, em seguida, adicione 2 mL de água destilada e 3 mL de 30% H₂O₂. Cubra com a rolha de vidro e aqueça para começar a reação de peróxido. Certifique-se de que a solução não ferva. Aqueça até que o borbulhante pare e deixe esfriar.
9. Continue adicionando incrementos de 30% H₂O₂ em 1 mL de incrementos, aquecendo até que o borbulhante seja mínimo. Não adicione mais de 10 mL dos 30% H₂O₂.
10. Cubra a amostra com as rolhas de lágrimas de vidro e aqueça até que o volume seja reduzido para 5 mL sem ferver.
11. Adicione 10 mL concentrado de HCl à amostra e cubra com a rolha de lágrima de vidro. Aqueça a 95 °C e refluxo por 15 min.
12. Deixe os tubos esfriarem. Se houver partículas, filtre a amostra usando um filtro de fibra de vidro e colete filtrado em um frasco volumoso de 100 mL. Diluir o volume amostral para 100 mL com água destilada.

Figura 1. Tubos de digestão em um digestor de blocos.

3. Analisando amostras com um espectrômetro de absorção atômica

1. Ligue o computador e o espectrômetro.
2. Defina parâmetros no instrumento. (Os parâmetros e procedimentos podem variar dependendo da marca do instrumento utilizado.) Ajuste a pressão de acetileno para >700 kPa (~100 psi), a válvula de acetileno fixada em 11 psi e a válvula de ar 45 psi.
3. Abra o software SpectraAA
4. Abra uma nova planilha.
5. Escolha "Adicionar método" e clique em Pb para fazer uma análise de chumbo.
6. Defina parâmetros de tipo/modo para os seguintes:
   1. Tipo = Chama
   2. Elemento = Pb
   3. Modo amostral = Manual
   4. Modo instrumento = absorvência
   5. Tipo de chama = Ar/Acetileno
   6. Fluxo de Ar = 13,5
   7. Fluxo de acetileno = 2,0
   8. Tipo de Diluter Online = SIPS
7. Defina os parâmetros de medição para o seguinte:
   1. Modo de medição = PROMT
   2. Modo de calibração = Concentração
   3. Tempos: Medição = 10
   4. Tempos: Ler Atraso = 10
   5. Réplicas: Padrão = 3
   6. Réplicas: Amostra = 3
   7. Precisão (%): Padrão = 1,0
   8. Precisão (%): Amostra = 1,0
8. Defina os parâmetros ópticos para o seguinte:
   1. Posição da lâmpada = #4
   2. Corrente da lâmpada (mA) = 10,0 mA
   3. Comprimento de onda = 217,0 nm
   4. Fenda = 1,0 nm
   5. Fundo = BC Off
9. Defina os parâmetros sips para o seguinte:
   1. Taxa de absorção de nebulizadores = 5,0 mL/min
   2. Bomba direita = nenhuma
   3. Adições padrão = Não seleccionar
   4. Modo de calibração = concentrações de std de conjunto automático
   5. Calibração dupla da bomba = Não seleccionar
10. De acordo com a guia Padrões, uma lista de padrões preenche automaticamente para o teste específico. Um padrão pb de 1.000 ppm para espectrometria de absorção atômica comprada de uma empresa de suprimentos químicos é usado e diluído automaticamente pelo instrumento. Uma nova curva de calibração é gerada cada vez que um novo conjunto de amostras é executado.
11. Saia do menu Editar método e clique na guia "Rótulos". Informações de entrada sobre nomes de amostras e número de amostras.
12. Usando a guia "Análise", use o botão "Selecionar" para destacar as amostras a serem analisadas.
13. Ligue a chama pressionando o botão de inflamação do instrumento.
14. Zero o instrumento aspirando um branco e pressionando as teclas "Alt" e "Read" simultaneamente.
15. Coloque a tubulação da bomba na solução em branco e pressione "Iniciar". Uma vez realizada a calibração, coloque a tubulação da bomba na amostra e pressione a tecla "Ler". Continue para todas as amostras.
16. Desligue o instrumento pressionando o botão vermelho de desligamento do instrumento. Desligue todos os tanques de gasolina e remova todas as amostras.

O software cria a curva de calibração e determina automaticamente a concentração do Pb nas amostras(Figura 2).

Figura 2. A curva de calibração e a concentração do Pb nas amostras automaticamente determinadas pelo software.

Os valores dados na planilha são mg/L de Pb na solução amostral. Devem ser feitos cálculos adicionais para converter esse número para o ppm de PB na amostra do solo.

Exemplo:

Para uma amostra de solo que pesava 1,2523 g antes da digestão foi medida pela AAS ter 6,0 mg/L de Pb na amostra de solução de 100 mL(Tabela 1).

Mesa 1. Níveis de chumbo do solo medidos em ppm e os níveis correspondentes de contaminação.

A espectrometria de absorção atômica é uma técnica útil para analisar uma ampla gama de amostras ambientais (por exemplo,água, solo, lodo e sedimentos) para um grande número de elementos(por exemplo,metais pesados). Este experimento destaca o uso da chama AAS para determinar o conteúdo pb no solo. No entanto, também poderia ser usado para medir concentrações de, Fe, Mn, K, Na, Mg e Zn em solos.

O zinco é um importante micronutriente e é necessário para a síntese proteica. Zn ajuda a regular a expressão dos genes necessários para proteger as células quando sob condições de estresse ambiental. A deficiência de zinco é um grande problema nas plantas de cultura e pastagem em todo o mundo, resultando em diminuição da produtividade. Estima-se que metade de todos os solos utilizados para a produção de cereais tenham deficiência de zinco. Isso leva a uma deficiência de zinco no grão. Como resultado, a deficiência de zinco em humanos é um grave problema nutricional em todo o mundo, afetando 1/3 da população mundial. Uma faixa típica de zinco em solos é de 10 a 300 mg/kg com média de 55 mg/kg.

O ferro é o quarto elemento mais abundante na Terra. No entanto, é encontrado principalmente em formas não disponíveis para plantas, como em minerais silicatos ou óxidos de ferro. O ferro está envolvido na fotossíntese, formação de clorofila, fixação de nitrogênio e muitas reações enzimáticas nas plantas. A deficiência de ferro no solo é rara, mas pode se tornar indisponível em solos excessivamente alcalinos. Os sintomas da deficiência de ferro no solo incluem folhas ficando amarelas e uma diminuição no rendimento. Uma faixa típica de ferro em solos é de 100 a 100.000 ppm com uma média de 26.000 ppm.

O cobre é um micronutriente essencial para as plantas. O cobre promove a produção de sementes, desempenha um papel na formação de clorofila, e é essencial para a atividade enzimático. A deficiência de cobre pode ser vista por folhas verdes claras e amarelas. As pontas das folhas morrem de volta e ficam torcidas. Se a deficiência for severa o suficiente, o crescimento do grão pode parar e as plantas morrem. O cobre disponível em solos pode variar de 1 a 200 ppm. A disponibilidade de cobre está relacionada ao pH do solo – à medida que o pH aumenta, a disponibilidade de cobre diminui.

A espectrometria de absorção atômica também pode ser usada em amostras não ambientais, incluindo:

Análise de água (Ca, Mg, Fe, Al, Ba, Cr)

Análise de alimentos (Cd, Pb, Al,, Fe)

Aditivos em óleos (Ba, Ca, Na, Li, Zn, Mg, V, Pb, Sb)

Fertilizantes (K, B, Mo)

Amostras clínicas (sangue, soro, plasma, urina, ca, mg, li, na, k, fe, cu, zn, au, pb)

Cosméticos (Pb)

Mineração (Au)