separação dos isótopos estáveis de boro, por troca iônica em sistema cascata, e obtenção de...
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UNIVERSIDADE DE SO PAULO CENTRO DE ENERGIA NUCLEAR NA AGRICULTURA
ANA CAROLINA RIBEIRO GRANJA
Separao dos istopos estveis de boro, por troca inica em sistema cascata, e obteno de H310BO3 enriquecido em 10B
Piracicaba 2013
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ANA CAROLINA RIBEIRO GRANJA
Separao dos istopos estveis de boro, por troca inica em sistema cascata, e obteno de H310BO3 enriquecido em 10B
Verso revisada de acordo com a Resoluo CoPGr 6018 de 2011
Tese apresentada ao Centro de Energia Nuclear na Agricultura, Universidade de So Paulo, para obteno do ttulo de Doutor em Cincias
rea de Concentrao: Qumica na Agricultura e no Ambiente
Orientador: Prof. Dr. Jos Albertino Bendassolli
Piracicaba
2013
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AUTORIZO A DIVULGAO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER
MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA,
DESDE QUE CITADA A FONTE.
Dados Internacionais de Catalogao na Publicao (CIP)
Seo Tcnica de Biblioteca - CENA/USP
Ribeiro-Granja, Ana Carolina
Separao dos istopos estveis de boro, por troca inica em sistema cascata, e obteno de H310BO3 enriquecido em 10B / Ana Carolina Ribeiro Granja; orientador Jos Albertino Bendassolli. - - Verso revisada de acordo com a Resoluo CoPGr 6018 de 2011. - - Piracicaba, 2013.
115 f.: il.
Tese (Doutorado Programa de Ps-Graduao em Cincias. rea de Concentrao: Qumica na Agricultura e no Ambiente) Centro de Energia Nuclear na Agricultura da Universidade de So Paulo.
1. Compostos de boro 2. Enriquecimento isotpico 3. Istopos estveis
4. Traadores isotpicos 5. Cromatografia de troca inica I. Ttulo
CDU 543.544.14 : (544.582.4 + 546.27)
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Dedico
Ofereo
Aos meus pais, Dorival e Anglica por
todo carinho, confiana e que por
tantas vezes renunciaram seus sonhos
para realizarem os meus
Aos meus irmos Marco
Aurlio e Ana Letcia que sempre esto
torcendo por mim
Ao meu esposo, Paulo Csar,
pelo seu apoio, amor e dedicao, e que no
mede esforos para me acompanhar
Ao meu sobrinho Matheus
Vinicius pelo amor incondicional
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AGRADECIMENTOS A Deus pelo dom da vida e que se fez presente em todos os momentos.
Ao Professor Jos Albertino Bendassolli, pela orientao, oportunidade, amizade e
apoio para execuo desse trabalho. Agradeo por todo conhecimento
compartilhado ao longo desses quatro anos e por contribuir para o meu crescimento
profissional e intelectual.
Ao Professor Michael Eugne Wieser, da Universidade de Calgary, pelo apoio e
entusiasmo na realizao de parte importante desta Tese.
Ao Centro de Energia Nuclear na Agricultura (CENA) da Universidade de So Paulo
(USP), pela estrutura oferecida para o desenvolvimento do trabalho.
FAPESP pelo apoio financeiro (Processo 2008/03503-5) e pela concesso da
bolsa de doutorado (Processo 2009/01364-0).
Universidade de Calgary pela oportunidade de realizao do doutorado sanduche
entre outubro de 2011 a abril de 2012, em especial ao Professor Michael Eugne
Wieser.
Ao professor Cassio Hamilton Abreu Junior do Laboratrio de Anlise e Referncia
em Amostras Ambientais e Fertilizantes do CENA/USP, Dr. Felipe Villanueva e a
Henriqueta Maria G. Fernandes, pelo auxlio nas anlises isotpicas.
Aos pesquisadores do Laboratrio de Istopos Estveis do CENA/USP, Professor
Paulo Csar O. Trivelin, Professor Jefferson Mortatti e Professor Helder de Oliveira
pelo apoio e estmulo.
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equipe do Laboratrio de Istopos Estveis do CENA/USP: Hugo Batagello,
Miguel Baldessin, Jos Bonassi, Magda Bartolamei, Juliana Oliveira, Glauco
Tavares, Ana Paula Duarte pelo auxlio.
Aos funcionrios Clelber Vieira Prestes e Bento Moambique de Moraes Neto,
grandes amigos, que estiveram presente quando precisei, por colaborar
intensivamente na realizao deste trabalho e pelo prazeroso convvio.
Aos colegas ps-graduandos do CENA/USP: Andr, Alexandre, Alexssandra,
Claudinia, Josiane, Graziela, Diego, Karine, Joo, Ndia, Otto, Michele, Carlos,
Felipe, Evandro, Hugo pelo respeito e amizade.
Aos colegas da Universidade de Calgary: Kerry Miller, Michael McBeth, Bernadette,
Bridgetti, Leah Ophelia que me acolheram e tornaram a jornada mais agradvel.
Aos estagirios que passaram pelo laboratrio de Istopos Estveis e que
desempenharam um excelente trabalho.
Aos funcionrios da biblioteca, e em especial, a Marlia, Raquel, Renata, Celsinho e
Adriana pelo auxlio e amizade.
Aos funcionrios da manuteno do CENA/USP pelo apoio tcnico.
A todos aqueles que, embora no citados nesse texto, contriburam para a
realizao deste trabalho.
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em procurar novas paisagens, PDVHPWHUQRYRVROKRV
(Marcel Proust)
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RESUMO
RIBEIRO-GRANJA, A. C. Separao dos istopos estveis de boro, por troca inica em sistema cascata, e obteno de H310BO3 enriquecido em 10B. 2013. 115 f. Tese (Doutorado) Centro de Energia Nuclear na Agricultura, Universidade de
So Paulo, Piracicaba, 2013.
O mtodo cromatogrfico de troca inica, em colunas de resina foi empregado no
estudo do enriquecimento isotpico de 10B e H310BO3. Em dois sistemas
cromatogrficos de colunas (S1: seis colunas de acrlico de 1800 mm de
comprimento e 70 mm de dimetro interno; S2: seis colunas de acrlico de 1800 mm
de comprimento e 30 mm de dimetro interno) foi estudado a separao do istopo 10B, no equilbrio envolvendo cido brico em soluo aquosa e ons borato
adsorvidos em resina aninica do tipo amnio quaternrio (Dowex 1X8), 100 200
PHVK2Vsistemas de produo de H310BO3 foram avaliados individualmente e em
processo cascata, com transferncia de 10B entre os dois sistemas. As
determinaes de B no presente trabalho foram avaliadas por espectrometria de
massas com plasma e espetrometria de massas por termoionizao. No sistema S1 de colunas aps 243 m (135 DBC) de deslocamento foi possvel obter um
enriquecimento mdio, nos ltimos 20 cm, de 40 % em tomos de 10B,
correspondendo a 2830 mg de H310BO3. Essa massa foi transferida (interao) para
o sistema S2 de colunas que apresentava, nos ltimos 20 cm da banda,
enriquecimento mdio de 47,8 % em tomos de 10B e essa nova banda
cromatogrfica foi deslocada por 21,6 m, obtendo-se no ltimo centmetro da banda
(1 0 cm) da frao enriquecida 82 % em tomos de 10B. O fator de fracionamento
) e a altura equivalente de uma placa terica dos istopos estveis de B (10B e 11B)
foi determinado como sendo 1,0245 e 0,30 cm, respectivamente.
Palavras-chave: 10B. cido brico. Cromatografia de troca inica. ICP-MS. TIMS.
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ABSTRACT
RIBEIRO-GRANJA, A. C. Separation of Boron Stable Isotope by Ion Exchange Chromatography using cascade system and obtaining of H310BO3 enriched in 10B. 2013. 115 f. Tese (Doutorado) Centro de Energia Nuclear na Agricultura, Universidade de So Paulo, Piracicaba, 2013.
The chromatographic method of ion exchange resin in columns was used to study
the isotopic enrichment of 10B and H310BO3. In two column chromatographic systems
(S1: six acrylic columns 1800 mm length and 70 mm diameter; S2: six acrylic columns
1800 mm length and 30 mm diameter) was studied 10B isotope separation in
equilibrium involving aqueous boric acid and borate ions adsorbed on anionic resin of
the quaternary ammonium type (Dowex 1X8) 100-200 "mesh". The production
systems H310BO3 were evaluated individually and in cascade process with 10B
transfer between both systems. The measurements of B in this study were evaluated
by Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry and Thermal Ionization Mass
Spectrometry. In the S1 columns system displacement after 243 m (135 DBC) was
possible obtain an medium enrichment in the last 20 cm, of 40 % atoms 10B,
corresponding to 2830 mg of H310BO3. This mass was transferred to the S2 column
system which have introduced in the last 20 cm of the band medium enrichment of
47,8 atom% 10B and this new band chromatography was displaced 21,6 m, thus
obtaining the last centimeter band (1-0 cm) from enriched fraction 82 % atoms 10B .
7KHIUDFWLRQDWLRQIDFWRUDQGWKHHeight Equivalent of Theoretical Plate (HETP) of
stable isotopes of B (10B and 11B) was determined like being 1,0245 and 0,30 cm,
respectively.
Keywords: 10B. Boric acid. Ion exchange chromatography. ICP-MS. TIMS
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Perfil de temperaturas no interior do plasma ....................................... 40
Figura 2 - Processo de ionizao da amostra por termoionizao Filamento
Simples ................................................................................................................ 41
Figura 3 - Esquema de um espectrmetro de massas por termoionizao 42
Figura 4 - Colunas de acrlico com base e topo finalizados para montagem de
sistema cromatogrfico ........................................................................................ 46
Figura 5 - Detalhes da Vlvula de PTFE de 7 vias, para distribuio de fluxos de
solues e efluentes (esgoto e entre colunas) e interligar colunas de resina ...... 47
Figura 6 - Detalhes das peas interna da vlvula de PTFE de 7 vias (conexes,
embolo, arroela, borracha de vedao, entre outros) .......................................... 47
Figura 7 - Detalhes do pisto dimensionado para as colunas do sistema S1
(colunas com dimetro interno de 70 mm) .......................................................... 48
Figura 8 - Detalhes do pisto a ser utilizado no sistema S2 de colunas (dimetro
interno de 30 mm) ............................................................................................... 48
Figura 9 - Reservatrio em fibra de vidro (200 litros) para soluo regenerante
de NaOH, sob presso de N2 gasoso (0,22 MPa) ............................................... 49
Figura 10 - Reservatrio de fibra de vidro (100 litros) para soluo eluente de HCl,
sob presso de N2 gasoso (0,22 MPa) ................................................................ 49
Figura 11 - Detalhes da linha de separao isotpica de B ................................. 50
Figura 12 - Sistema de colunas (sistema S1 e sistema S2) com resina aninica
(Dowex 1X8) para separao dos istopos estveis de B ................................... 51
Figura 13 - Reservatrio, em fibra de vidro para soluo de cido brico ........... 51
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Figura 14 - Processo de interao (acoplamento) entre os sistemas (S1 e S2)
de colunas contendo resina aninica, no processo de obteno de 10B(OH)3
altamente enriquecido em 10B............................................................................... 55
Figura 15 - Perfil de uma banda de B(OH)3 e B(OH)4- em sistema cromatogrfico
eludo com soluo de HCl ................................................................................... 57
Figura 16 - Espectrmetro de massas com fonte de plasma ............................... 58
Figura 17 - Espectrmetro de massas por termoionizao .................................. 58
Figura 18 - Diluio de amostra utilizando tubos do tipo Falcon ........................... 59
Figura 19 - Fita de rnio utilizado para a montagem do filamento para anlise
isotpica de B ....................................................................................................... 60
Figura 20 - a, b , c) Fita de rnio sendo medida, cortada e prensada em formato
U; d) Filamento sendo montado; e) Fita de rnio sendo soldada no filamento;
f) Filamento preparado para desgaseificao. ..................................................... 62
Figura 21 - Estao de desgaseificao dos filamentos ....................................... 63
Figura 22. Deposio da soluo ativadora (a) e amostra (b); c) Secagem da
amostra ................................................................................................................. 63
Figura 23 - a) Carrossel do espectrmetro de massas por termoionizao com 21
posies; b) Carrossel sendo carregado pelos filamentos prontos ....................... 64
Figura 24 - Espectrofotmetro FEMTO 600S ....................................................... 65
Figura 25 - Reao de dissociao da Azometina-H em soluo aquosa ............ 65
Figura 26 - Bomba peristltica com seis canais .................................................... 66
Figura 27 - Regenerao dos stios ativos da resina aninica Dowex 1X8 (sistema
S1), da forma inicial cloreto (R-Cl-) a forma hidroxila (R-OH-), com soluo
regenerante 2,0 mol L-1 de NaOH ......................................................................... 73
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Figura 28 - Regenerao dos stios ativos da resina aninica Dowex 1X8 (sistema
S2), da forma inicial cloreto (R-Cl-) a forma hidroxila (R-OH-), com soluo
regenerante 2,0 mol L-1 de NaOH ........................................................................ 73
Figura 29 - Saturao dos stios ativos na forma B(OH)4 no sistema S1 .............. 74
Figura 30 - Saturao dos stios ativos na forma B(OH)4- do sistema S2 ............. 75
Figura 31 Destaque da traseira da banda cromatogrfica sendo eluda com HCl
0,05 mol L-1 ......................................................................................................... 77
Figura 32 - Perfis (5 a 20 DBC) de uma banda de ons B(OH)4- no sistema S1 de
colunas de resina aninicas ................................................................................. 81
Figura 33- Perfis (43 a 149 DBC) de uma banda de ons B(OH)4- no sistema S1 de
colunas de resina aninica ................................................................................... 81
Figura 34 - Rachadura na extenso da coluna e perda parcial da resina aninica e
consequentemente da banda cromatogrfica ...................................................... 83
Figura 35- Acmulo de massa de H310BO3 no decurso dos deslocamentos da
banda cromatogrfica do sistema S1 .................................................................... 87
Figura 36 Perfis (5 a 25 DBC) de uma banda de ons B(OH)4- no sistema S2 de
colunas de resina aninica ................................................................................... 90
Figura 37 Perfis (43 a 127 DBC) de uma banda de ons B(OH)4- no sistema S2
de colunas de resina aninica .............................................................................. 90
Figura 38 - Acmulo de massa de H310BO3 no sistema S2 em funo do
deslocamento da banda cromatogrfica .............................................................. 95
Figura 39 Abundncia isotpica de B (% em tomos de 10B), em amostras de
H310BO3, determinada por TIMS e ICP-MS .......................................................... 102
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Figura 40 Abundncia isotpica de B (% em tomos de 10B), em amostras de
H310BO3, determinada por TIMS e ICP-MS ........................................................... 102
Figura 41 - Perfil de uma banda de H310BO3 em situao de equilbrio ................ 104
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Istopos do elemento boro .................................................................. 24
Tabela 2 - Condies de operao do ICP-MS Agilent 7500ce ........................... 60
Tabela 3 Abundncia de B (% t. de 10B) no perfil de uma banda de H3BO3,
no sistema S1 de colunas cromatogrficas. ......................................................... 80
Tabela 4 Abundncia de B (% t. de 10B), concentrao de B (g L-1) e massa
de 10B e H310BO3 (g), aps 5, 10, 20, 43 e 71 DBC no sistema S1 de colunas ..... 84
Tabela 5 Abundncia de B (% t. de 10B), concentrao de B (g L-1) e massa de
10B e H310BO3 (g), aps 91, 109 e 120 DBC no sistema S1 de colunas ............... 85
Tabela 6 Abundncia de B (% t. de 10B), concentrao de B (g L-1) e
massa de 10B e H310BO3 (g), aps 135 e149 DBC no sistema S1 de colunas ...... 86
Tabela 7 Abundncia de B (% t. de 10B) no perfil de uma banda de
H3BO3, no sistema S2 de colunas cromatogrficas ............................................. 89
Tabela 8 Abundncia de B (% t. de 10B), concentrao de B (g L-1) e massa de
10B e H310BO3 (g), aps 5, 10, 20, 43 e 71 DBC no sistema S2 de colunas ......... 92
Tabela 9 Abundncia de B (% t. de 10B) , concentrao de B (g L-1) e
massa de 10B e H310BO3 (g), aps 64, 79 e 95 DBC no sistema S2 de colunas .. 93
Tabela 10 Abundncia de B (% t. de 10B), concentrao de B (g L-1) e
massa de 10B e H310BO3 (g), aps 110 e 127 DBC no sistema S2 de colunas ..... 94
Tabela 11 Abundncia de B (% t. de 10B) no perfil de uma banda de H3BO3, nos
sistemas S1 e S2 antes do acoplamento ............................................................... 96
Tabela 12 Abundncia de B (% t. de 10B) no perfil de uma banda de H3BO3, no
sistema S2 de colunas cromatogrficas aps do acoplamento ............................ 97
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Tabela 13 Abundncia de B (% t. de 10B), concentrao de B (g L-1) e
massa de 10B e H310BO3 (g), aps acoplamento dos sistemas S1 e S2 de colunas e
deslocamento de S2 por 21,6 m ............................................................................ 98
Tabela 14 - Abundncia de B (% t. de 10B) no perfil de uma banda de H3BO3,
no sistema S1 de colunas cromatogrficas ........................................................... 100
Tabela 15 - Abundncia de B (% t. de 10B) no perfil de uma banda de H3BO3,
no sistema S2 de colunas cromatogrficas ........................................................... 101
Tabela 16 - Fator de fracionamento LVRWySLFRGH10B e 11B por troca inica
em resina Dowex 1X8, 100-PHVK................................................................ 103
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LISTA DE SIGLAS
DBC - Deslocamento de Bandas Cromatogrficas
TIMS - Espectrometria de Massas por Termoionizao
ICP-MS - Espectrometria de Massas com Fonte de Plasma
% t. de 10B - % em tomos de 10B
HETP - Height Equivalent of Theoretical Plate
PTFE - Politetrafluoretileno
MPa - megapascal
S1 - Sistema 1
S2 - Sistema 2
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SUMRIO 1. INTRODUO ................................................................................................. 23
2. REVISO DE LITERATURA ............................................................................ 26
2.1.O B como elemento qumico ........................................................................... 26
2.2. B como nutriente para planta ......................................................................... 27
2.3. O uso dos istopos de B ................................................................................ 29
2.3.1. rea mdica ................................................................................................ 30
2.3.2. rea animal ................................................................................................. 31
2.3.3. rea nuclear ............................................................................................... 31
2.3.4. Agricultura ................................................................................................... 31
2.4. Mtodos de separao dos istopos B .......................................................... 34
2.5. Mtodos de anlise isotpica de B ................................................................ 38
2.5.1. Espectrometria de massas com fonte de plasma ....................................... 38
2.5.2. Espectrometria de massas por termoionizao .......................................... 40
3. MATERIAL E MTODOS ................................................................................. 43
3.1. Material .......................................................................................................... 43
3.1.1. Resina aninicas......................................................................................... 43
3.1.1.1. Sistemas de colunas de resina ................................................................ 43
3.1.2. Equipamentos ............................................................................................. 44
3.1.3. Solues qumicas ...................................................................................... 44
3.1.3.1. Solues empregadas no experimento .................................................... 45
3.1.4. Outros materiais.......................................................................................... 45
3.2. Mtodos ......................................................................................................... 46
3.2.1. Separao dos istopos estveis de B, por cromatografia de troca inica . 46
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3.2.1.1. Montagem do sistema de troca inica ..................................................... 46
3.2.1.2. Preparo da resina aninica Dowex 1X8 .................................................. 52
3.2.1.3. Preparo da banda de cido brico (H3BO3) ............................................. 52
3.3. Separao de 10B por cromatografia de troca inica em sistema individual de
colunas: Enriquecimento de 10B ........................................................................... 52
3.4. Interao (acoplamento) dos sistemas S1 e S2 ............................................. 54
3.5. Determinao da massa acumulada de 10B e de H310BO3 .......................................... 56
3.6. Determinao isotpica de B (% em tomos 10B), por espectrometria de
massas, em efluente do sistema cromatogrfico ................................................. 57
3.6.1. Preparo das amostras para determinao isotpica de B (% em tomos 10B)
no ICP-MS ............................................................................................................ 59
3.6.2. Preparo das amostras para determinao isotpica de B (% em tomos 10B)
no TIMS ................................................................................................................ 60
3.7. Determinao espectrofotomtrica de B (mg L-1 de B) em efluente do
sistema cromatogrfico ........................................................................................ 64
3.8. Fator de fracionamento da separao dos istopos estveis de B ............... 66
3.9. Altura equivalente de uma placa terica (HETP Height Equivalent of
Theoretical Plate ................................................................................................ 67
3.10. Regenerao dos stios ativos da resina ..................................................... 69
4. RESULTADOS E DISCUSSO ....................................................................... 71
4.1. Regenerao da resina aninica Dowex 1X8 no sistema de separao dos
istopos estveis de B ......................................................................................... 71
4.2. Preparo da banda de cido brico (H3BO3) ................................................... 74
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4.3. Obteno de 10B(OH)3, por cromatografia de troca inica, em cada um dos
sistemas de colunas de resina (individual) ........................................................... 75
4.4. Obteno de 10B(OH)3, com elevado enriquecimento no istopo de 10B
empregando o mtodo de cromatografia de troca inica em sistema cascata ..... 95
4.5. Determinao da abundncia isotpica de B (% em tomos 10B), em amostras
provenientes do sistema cromatogrfico, por ICP-MS e TIMS ............................. 99
4.6. Fator de fracionamento isotpico .............................................................. 103
4.7. Altura equivalente de uma placa terica (HETP) ........................................... 103
5. CONCLUSO ................................................................................................... 105
REFERNCIAS .................................................................................................... 106
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1. INTRODUO
Considerado como elemento essencial para o metabolismo das plantas,
animais e seres humanos, o boro (B) um elemento semi-metlico que se apresenta
quase que exclusivamente sob a forma no dissociada de cido brico (H3BO3) e
que o torna, atravs dessa caracterstica, em elemento extremamente mvel no solo
e facilmente lixiviado. Nas plantas, a funo fisiolgica do B difere dos outros
micronutrientes, pois este elemento no foi identificado em nenhum composto ou
enzima especfica (PRADO, 2004). Entretanto, o B tem participao em vrias
reaes biolgicas, como na sntese de protenas e na ativao de enzimas
(LOPES, 1989).
Classificado no grupo de elementos como Si e P, o B absorvido pelas
plantas na forma de cido brico ou on borato e so atribudas a este elemento,
funes como transporte de carboidratos e coordenao com fenis (MENGEL;
KIRBY, 1987).
O B considerado um dos elementos que, com maior freqncia, limita a
produo agrcola. Sendo assim, a fim de suprir a deficincia deste elemento, os
pomares de laranja recebem rotineiramente, via adubao foliar, soluo contendo
este nutriente, alm de Zn e Mn (BOARETTO; TIRITAN; MURAOKA, 1997).
Segundo Malavolta (1981), em vrios estados brasileiros, constatou-se deficincia
de B em culturas de expresso econmica.
A fim de elucidar a dinmica do referido elemento no sistema solo-planta e
alm de, identificar sua participao na composio de compostos ou enzimas
especficas ativas na planta, o uso da tcnica de traador com istopos estveis de
B, constitui-se importante ferramenta para essas avaliaes. Os traadores mais
utilizados so os istopos estveis 10B e 11B. Os radioistopos de B apresentam
meia vida muito baixa e no so adequadas aos estudos agronmicos. Portanto, o
elemento B apresenta vrios istopos estveis e radioativos, que podem ser
observados na Tabela 1.
Na rea biomdica a terapia por captura de nutrons pelo B designa um
procedimento para o tratamento de cncer. Para tanto, administrado ao paciente
em tratamento, compostos enriquecidos em tomos de 10B, entre esses o mais
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empregado o L-borofenilalanina (L-BPA). Na medicina veterinria, visando
compreender o transporte e distribuio do B no organismo do animal, composto
enriquecido em tomos de 10B tem sido incorporado na dieta de ratos e cachorros
(VANDERPOOL; HOFF; JOHNSON,1994; PISAREV; DRAGOSA; JUVENAL, 2007).
Dessa forma, a separao dos istopos estveis de B (10B e 11B) e obteno
de compostos enriquecidos em 10B, devero proporcionar condies para a
identificao e participao do elemento na planta e, possivelmente, trazer
informaes refinadas objetivando elucidar problemas da produo agrcola
relacionados a este elemento.
Tabela 1 - Istopos do elemento B
Istopo Abundncia isotpica natural (%)
Tipo de desintegrao
Tempo (meia-vida)
8B - + 0,77 s 9B - S 8.10-19 s
10B 19,9 - Estvel 11B 80,1 - Estvel 12B - - 0,020 s 13B - - + n 0,017 s 14B - - 0,013 s 15B - - 0,010 s 16B - n 200 ps 17B - - + n 0,005 s 18B - n 26 ns 19B - - + n 2,93 ms
(s) segundos;(ps )picosegundos; (ns) nanosegundos; (ms) milisegundos Fonte: Adaptado de 7KH%HUNHO\/DERUDWRU\,VRWRSHV3URMHFWV
Sendo assim e a partir do exposto, o presente trabalho teve por objetivo
principal estabelecer um sistema de separao dos istopos estveis de B (10B e 11B) e produo de cido brico com elevado enriquecimento em 10B (60 a 90 %
tomos de 10B), utilizando-se da troca inica (resinas aninicas). Para o
desenvolvimento metodolgico foi empregado o mtodo de cromatografia de troca
inica em sistema cascata, com a interao de dois sistemas cromatogrficos de
colunas de resina.
Para o desenvolvimento do trabalho em apreo compreende, tambm, alguns
objetivos especficos, como: a) montagem dos sistemas de cromatografia de troca
inica; b) preparo da resina aninica Dowex 1X8; c) regenerao dos stios ativos da
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resina; d) preparo da banda de cido brico (H3BO3); e) obteno de 10B(OH)3, por
cromatografia de troca inica, em cada um dos sistemas de colunas de resina
(individual) e em sistema cascata (acoplamento);f) ; determinao da abundncia
isotpica de B (% em tomos 10B), em amostras provenientes do sistema
cromatogrfico, por ICP-MS e TIMS; g) fator de fracionamento isotpico; h) Altura
equivalente de uma placa terica (HETP).
Outro aspecto importante a ser destacado o desenvolvimento de tecnologia
de separao isotpica e produo de compostos qumicos marcados no istopo
estvel 10B, que no repassada pelos pases que s detm, em razo de interesse
econmico, e muitas vezes, estratgico como no caso dos istopos de B.
importante destacar que, o Laboratrio de Istopos Estveis, nos ltimos
anos, vem desenvolvendo e produzindo compostos enriquecidos em istopos
estveis de elementos leves, com destaque para (15NH4)2SO4 (MAXIMO et al., 2000;
2013) e 34SO2 (BENDASSOLLI et al., 1997) e a partir destes, outros compostos
foram produzidos: 15NH3(aq) e 15NH3 anidra (BENDASSOLLI et al., 2002); Glicina- 15N (TAVARES et al., 2006); (15NH4)2.34SO4 (MAXIMO et al., 2005); Alanina-15N
(OLIVEIRA, 2001); Glifosato-15N (TAVARES, 2010); H15NO3 (6$17$1$),/+2 et
al., 2008); 13CO(15NH2)2 (6$17$1$),/+2 et al., 2013), H234SO4 (ROSSETE et al.,
2001); Ca34SO4.2H2O (ROSSETE et al., 2006); superfosfato simples-34S (ROSSETE
et al., 2008).
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2. REVISO DE LITERATURA
2.1 O B como elemento qumico
O boro representado pelo smbolo B elemento do grupo III subgrupo A
denominados metalides e apresenta propriedades intermedirias entre os metais e
no metais (MARSCHNER, 1995). Apesar da sua baixa concentrao na crosta
terrestre, o B est amplamente distribudo tanto na litosfera quanto na hidrosfera. A
quantidade de B aumenta com a acidificao das rochas magmticas, enquanto nas
rochas sedimentares o elemento est associado frao de argila. A concentrao
deste elemento varia de 5 a 10 mg kg-1 em rochas (SHORROCKS, 1997), 3 a
30 g kg-1 em rios (POWER; WOODS, 1997) e aproximadamente 4,5 mg kg-1 nos
oceanos (LEMARCHAND et al., 2000). As maiores quantidades de B esto
concentradas em regies que j foram cobertas por oceanos e em sedimentos
marinhos argilceos, portanto a quantidade de B pode servir como indicador de
paleossalinidade (KABATA-PENDIAS; PENDIAS, 1984).
Ao contrrio de outros elementos com nmero reduzido de eltrons e grande
nmero de orbitais disponveis para a ligao qumica, aliado ao seu alto potencial
de ionizao, o B elementar no encontrado na natureza, pois est sempre
combinado com o oxignio para a formao de compostos covalentes. Espcies
como xido de boro (B2O3) normalmente reagem com gua para formar o cido
brico (B(OH)3), que atua como cido fraco, tendendo a formar ons borato (B(OH)4-)
pela incorporao de uma hidroxila sua molcula (KEREN; BINGHAM, 1985).
Descoberto por Gay-Lussac e Thrernard na Frana e Humphry Davy na Gr-
Bretanha (ROYAL SOCIETY OF CHEMISTRY, 2013), o B foi isolado pela primeira
vez em 1808 pelo aquecimento de xido de boro (B2O3) com metal de potssio. O p
preto, acastanhado impuro e amorfo, foi a nica forma de B conhecida por mais de
um sculo (BENTON, 1974).
Naturalmente, ocorrem dois istopos estveis de B (10B e 11B). Estes istopos
apresentam abundncia isotpica natural de 19,9 e 80,1 % em tomos para o 10B e 11B respectivamente (BIEVRE; BARNES, 1985). A existncia do istopo raro mais
leve do B (10B) possibilita a produo de compostos enriquecidos em 10B e o
emprego da tcnica isotpica do traador, na elucidao de muitos aspectos
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relacionados em diversas reas da cincia, notadamente na agronmica e
biomdica.
2.2 B como nutriente para planta
Em 1910, Agulhon1 citado por Blevins e Lukaszewski (1998) descreveu que
diferentes espcies de plantas apresentavam B na sua composio, todavia, o autor
no conseguiu esclarecer a essencialidade do B. Subsequentemente, Maz2 (1915)
tambm citado por Blevins e Lukaszewski (1998) afirmou que os elementos B,
alumnio, flor e iodo eram essenciais, contudo, seu trabalho experimental foi
questionado pela sociedade cientfica. Porm, em 1923, K. Warrington descobriu a
essencialidade deste elemento para as plantas. O cientista observou a necessidade
de fornecimento contnuo do elemento B visto como importante fator de crescimento
(BLEVIS; LUKASZEWSKI, 1998; DECHEN; HAAG; CARMELLO, 1991). Para
Marschner (1997), o B tem vasta aplicabilidade industrial e tambm um elemento
essencial para as plantas vascularizadas (monocotiledneas, dicotiledneas e
conferas), diatomceas, algumas espcies de alga verde e na fixao de nitrognio
por algumas espcies de cianobactrias.
Nielsen (2002) demonstrou existir evidncias de que o B um elemento
benfico aos seres humanos, especialmente no auxlio da fixao do elemento
clcio por mulheres idosas.
A funo fisiolgica do B difere dos demais elementos, pois o B no foi
identificado em nenhum composto ou enzima especfica, sendo sua essencialidade
determinada pelo critrio indireto (MALAVOLTA, 1980). Dessa forma, apesar da
concordncia de que essencial para as plantas, ainda no foi estabelecida uma
1 AGULHON, H. Presence et utilite du bore chez les vgtaux. Annales de lInstitute Pasteur, Paris, v. 24, p. 321329, 1910. In: In: BLEVINS, D.G.; LUKASZEWSKI, K.M. Boron in plant structure and function. Annual Review of Plant Biology, Palo Alto, v.49, n.1, p.481-500, 1998. 2 MAZ, P. Determination des elements mineraux rares necessaires as development du mais. Compt. Rend. 160: 21114, 1915. In: BLEVINS, D.G.; LUKASZEWSKI, K.M. Boron in plant structure and function. Annual Review of Plant Biology, Palo Alto, v.49, n.1, p.481-500, 1998.
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funo bioqumica para o B e consequentemente a funo direta deste
micronutriente ainda no est completamente elucidada.
O elemento B absorvido pelas plantas preferencialmente na forma
molecular, H3BO3, e destaca-se a tendncia do elemento a formar complexos
catinicos dentro da planta com compostos orgnicos de configurao cisdiol, como
os acares (DEMBITSKY et al., 2002; FURLANI, 2004). Matoh (1997) constatou
que o B pode ocorrer nas plantas superiores tanto em formas solveis em gua
quanto em formas insolveis.
Na procura de outras funes para o B em plantas, pode-se destacar: a) o
transporte de acares atravs das membranas e o metabolismo de carboidratos; b)
desenvolvimento dos frutos; c) sntese de cidos nuclicos (DNA, RNA -
principalmente na sntese de bases nitrogenadas) e de fitohormnios; d) formao
de paredes celulares e diviso celular; e) ativao dos tecidos meristemticos; f)
importncia no aumento da colheita e produo de sementes (MATOH, 1997;
DECHEN; HAAG; CARMELLO, 1991).
De acordo com Kobayashi, Matoh e Azuma (1996), uma das principais
funes do elemento na planta a participao na formao de um complexo com
ster de B. A formao deste complexo essencial para controle, estrutura e
porosidade da parede celular.
Hu e Brown (1994) observaram que o B est localizado principalmente na
parede celular e em condies limitantes de B, a quantidade do nutriente presente
na parede celular representa 95% do total de B presente na clula.
A importncia deste elemento na produo est relacionada no somente
sua falta, mas tambm ao excesso (MENGEL; KIRKBY, 2001). Formas solveis de B
so facilmente disponveis para as plantas, que podem absorv-lo como cido
brico, bem como outras espcies presentes no meio (DECHEN; HAAG;
CARMELLO, 1991). Para o autor, acredita-se que a propriedade do cido brico de
formar complexos com polissacardeos tem uma importante funo no transporte
passivo. Para Mengel e Kirkby (1987) as funes de transporte de carboidratos e
coordenao com fenis so atribudas ao on borato.
Segundo Gupta (1979), umas das mais rpidas respostas deficincia de B
a inibio ou paralisao do crescimento dos tecidos meristemticos da parte area
e das razes e considera que necessrio um continuo abastecimento B para a
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manuteno da atividade meristemtica. A razo para esta exigncia em B no
conhecida, mas tem sido mostrado que ele necessrio para a sntese de bases
nitrogenadas como a uracila, a qual componente essencial do RNA e, se ausente,
afetar a sntese de protenas.
A deficincia de B pode prejudicar o crescimento das plantas, reduo na
produo e at mesmo levando planta a morte (SAH; BROWN, 1997). Pode-se
ainda verificar que a deficincia de B tem proporcionado grandes perdas de
produtividade em diversas culturas anuais no Brasil (BATAGLIA; RAIJ, 1990). Para
Dechen, Haag e Carmello (1991), os tecidos parecem duros e quebradios e as
folhas podem tornar-se deformadas e o caule enrugado e rachado, muitas vezes
com manchas. O florescimento afetado severamente. Tanto o sistema radicular
como a parte area so comprometidos e as infeces bacterianas so muitas vezes
consequncia secundria da deficincia. O B freqentemente deficiente nos
pomares paulistas de laranja e por isso recebem rotineiramente adubao foliar com
solues contendo este nutriente, alm de Zn e Mn (BOARETTO; TIRITAN;
MURAOKA, 1997). Vrios estudos demonstram que a adubao foliar de B aumenta
o teor foliar deste nutriente, (SANTOS et al., 1999; TIRITAN, 1996; SILVA, 1996;
CAETANO et al., 1986; CAETANO, 1982).
Considerando que este elemento um dos que, com maior freqncia, limita
a produo agrcola nos solos, Malavolta (1981), constatou deficincia de B em
culturas de expresso econmica em vrios estados. No entanto, Costa et al. (2002),
aplicando B, tanto no solo quanto nas folhas, provocaram aumento na produtividade.
Resultado semelhante foi encontrado por Pavan (1997) quando aplicaes de B no
solo tambm elevaram a produtividade de frutos de macieira.
2.3 Uso dos istopos de B
O uso da tcnica de traador com o istopo estvel 10B, constitui-s em
importante ferramenta para avaliaes da dinmica do B nas reas agrcolas e
veterinria. Na rea biomdica, o elemento tem se destacado no tratamento binrio
para o glioblastoma multiforme, um cncer que afeta as clulas da glia do crebro.
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Visando avaliar o comportamento deste elemento nos sistemas supracitados,
os traadores mais utilizados so os istopos estveis 10B e 11B. Os radioistopos
(10 radionucldeos Tabela 1) de B apresentam meia vida muito baixa (WEAST,
1988) e no so adequadas aos estudos agronmicos. O 8B o radioistopo com
meia vida mais longa, 0,77s, tempo inexpressvel para trabalhos cientficos
empregando o mesmo como traador.
2.3.1 rea mdica
A terapia de captura de nutrons por boro (BNCT) uma modalidade de
tratamento por radiao, e o seu sucesso depende da deposio do istopo de 10B
nas clulas tumorais seguida pela irradiao por nutrons trmicos, resultando na
produo de partculas ionizantes altamente txicas para as clulas (GONZLEZ et
al., 2004).
A BNCT considerada tratamento binrio, ou seja, dois procedimentos,
ocorrendo, em ambos, pequenos efeitos biolgicos nas clulas normais. Segundo
Barth et al. (2005), o primeiro procedimento inclui a prescrio de um composto
qumico enriquecido em 10B, um istopo no txico e no radioativo. Na sequncia, o
paciente submetido irradiao que utiliza um feixe externo colimado e filtrado de
nutrons em um espectro preferencialmente epitrmico com energias prximas a
2keV.
Na prtica, um composto contendo 10B administrado ao paciente, e
acumulado preferencialmente no tecido neoplsico (tumor). O tumor irradiado com
os nutrons de baixa energia produzidos por reator nuclear, 10B absorve nutrons,
produzindo radiao alfa e partculas de ltio (7Li), de baixa escala, no tumor.
Inmeros trabalhos foram publicados sobre BNCT relatando testes clnicos
em humanos e todos os estudos mostraram dados significantes no controle do
crescimento e na disseminao tumoral.
Os primeiros experimentos clnicos realizados em humanos da terapia de
BNCT em pacientes com cncer foram realizados por Mishima et al. (1989). Aps a
incorporao do composto enriquecido no istopo de 10B, tornou-se possvel a
eliminao do tumor. Menndez et al. (2009), estudaram a terapia em pacientes com
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cncer localizados nas extremidades do corpo, e encontraram reduo dos ndulos
tumorais com pouca toxidade para os tecidos adjacentes.
2.3.2 rea animal Visando compreender o transporte e a cintica do elemento B, Vanderpool,
Hoff e Johnson (1994) adicionaram na dieta de ratos 20g de um composto
enriquecido no istopo de 10B. Durante os trs primeiros dias aps o incio da dieta,
95% do istopo de 10B foi detectado na urina e 4% nas fezes do animal. A razo 11B/10B foi determinada em delta per mil.
Pisarev, Dagrosa e Juvenal (2007) estudaram a concentrao e distribuio
de B no sangue e tireide em cachorros. Os autores aplicaram o composto
borofenilalanina (BPA) enriquecido no istopo de 10B e com coletas a cada quinze
minutos observaram que a concentrao e distribuio do elemento foi maior no
sangue do que na tireide.
2.3.3 rea Nuclear
A separao dos istopos de B, 10B e 11B, tem importncia considervel na
energia nuclear pelo fato do 10B apresentar uma seo de choque de nutrons da
ordem de 4000 barns, enquanto que o do 11B inferior a 0.05 barns. O 10B
utilizado principalmente como elemento absorvedor de nutrons das barras de
controle dos reatores (MURRAY, 2004). O B sob a forma de soluo de cido brico
tambm empregado na gua do circuito primrio de arrefecimento dos reatores,
objetivando diminuir a reatividade inicial dos elementos combustveis por ocasio da
carga e recarga. Uma outra utilizao do B enriquecido em 10B na indstria nuclear
na confeco de medidores de nutrons (COUTINHO et al., 1990).
2.3.4 Agricultura
Visando a diagnose adequada dos problemas relacionados ao B,
principalmente nas regies onde se pratica agricultura intensiva e naquelas com um
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potencial agrcola j definido, compostos enriquecidos em 10B podem ser utilizados
como traador na elucidao de parmetros importantes com relao ao elemento.
Estudos para determinar as funes do B nas plantas, bem como, sua mobilidade e
absoro, podem ser realizados com o uso de traadores isotpicos.
Nos ltimos anos, vrios trabalhos foram conduzidos com a utilizao de
compostos marcados em 10B como traadores, para monitorar o deslocamento de B
nas plantas e no solo. Para Brown et al. (1994), o uso do istopo estvel um
mtodo efetivo e barato de monitoramento no estudo do movimento de B no sistema
solo-planta. Aplicao de B enriquecido via foliar ou em soluo nutritiva e sua
absoro nos frutos e castanhas demonstraram que este nutriente pode ser
parcialmente mvel no floema.
Shu, Oberly e Cary (1993) aplicaram 10B sobre a superfcie das folhas de
pessegueiro e aps quatro horas da aplicao, encontrou o elemento marcado em
todas as partes da planta, exceto em razes finas, onde o aparecimento deu-se aps
oito horas. Elevadas abundncias de 10B foram observadas em folhas tratadas,
razes finas e caules verdes aps doze, setenta e duas horas e quatro semanas
aps o tratamento, respectivamente. Por todo tempo, a abundncia de 10B foi maior
nas folhas. O total de 10B absorvido foi pequeno (0,2 % do aplicado), porm mais de
50 % deste foi exportado das folhas tratadas.
Com o mesmo objetivo, Picchioni, Weinbaum e Brown (1995), atravs da
adubao foliar, observaram que a absoro de 10B em folhas de macieira, pereira e
cerejeira, foi de 85-96 %, 24 horas aps a aplicao. Os autores observaram,
tambm, a presena de 10B na seiva do floema de macieira e cerejeira, indicando
transporte pelo floema nessas espcies.
Trabalhando, tambm, com diferentes espcies frutferas, Brown e Hu (1996)
estudaram a mobilidade do B, em condies de campo, e aps tratamento das
folhas com 10B, verificaram que, em espcies cujo acar mais abundante era o
sorbitol, o B apresentou-se mvel, enquanto nas espcies que apresentavam menor
ou nenhuma quantidade de sorbitol, o B apresentou-se imvel. Em espcies ricas
em sorbitol, o 10B foi transportado das folhas tratadas para os frutos adjacentes.
Bellaloui, Brown e Dandekar (1999), objetivando a redistribuio de B,
demonstraram que a incorporao transgnica de genes sintetizadores de sorbitol
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de macieira em plantas de tabaco resultou em significativa redistribuio de 10B de
folhas para os meristemas.
Com o intuito de avaliar a absoro, a mobilidade e alguns efeitos
morfolgicos e anatmicos do B sobre o cafeeiro, Leite (2002) realizou dois
experimentos em campo e dois em casa de vegetao utilizando-se o cido brico
enriquecido 10B. Segundo o autor, no foram observadas diferenas morfolgicas ou
efeito na produtividade do cafeeiro. Todavia, o uso de 10B permitiu observar o
transporte via corrente de transpirao do nutriente aplicado no substrato e a
mobilidade foi provada ao se encontrar o istopo marcado aplicado via foliar, nas
razes das plantas. Corroboram com o resultado, Lehto, Kallio e Aphalo (2000).
Visando a redistribuio de B, os autores investigaram se o B aplicado nas partes
areas das plantas de Pinus scots e Picea abies L. Karst, na forma de cido brico
(H310BO3), seria translocado para as razes novas de plantas dessas espcies. Os
autores observaram aumento nas quantidades e abundncias de 10B no sistema
radicular de ambas as espcies.
Boaretto (2006) objetivando verificar a absoro de B pelas razes e folhas da
laranjeira, a mobilidade do elemento na planta e quantificar a contribuio da
adubao com B para os frutos da laranjeira observou, na condio de realizao do
experimento em casa de vegetao e aplicao do cido brico enriquecido no 10B,
que o B absorvido da soluo nutritiva foi transportado principalmente para as partes
novas da laranjeira onde se encontrou de 35 a 50 % do 10B absorvido.
Silva (2007) estudou a dinmica do B na mamoneira utilizando compostos
enriquecidos isotopicamente em 10B aplicando H3BO3, sendo 2,7 mg B (84,5 % 10B)
e 1,0 mg B (68,7 % 10B) via foliar e soluo nutritiva, respectivamente. Ocorreram
trs aplicaes a cada duas semanas, da semeadura a colheita. O 10B foi avaliado
das partes da planta: raiz, caule, rquis, frutos e sementes, colhidos 77 dias aps a
semeadura. As anlises isotpicas de B (% em tomos de 10B) nas amostras
decompostas mostraram que a redistribuio de B nesta espcie foi expressiva das
folhas para o fruto; quase ausente, das folhas para as razes; a aplicao de B via
soluo nutritiva se mostrou mais eficiente que a aplicao foliar em elevar o teor de
B na semente ou no fruto.
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Estudando os efeitos nutricionais da omisso de B, doses de B via foliar,
tempo de absoro e a sua mobilidade em plantas de tomate e beterraba cultivadas
em ambiente protegido, Gondim (2009), realizou quatro experimentos com as
plantas de tomate e da beterraba cultivadas em vasos. Em um dos experimentos o
cido brico enriquecido em 10B foi acrescentado em soluo nutritiva e em outro
experimento, o composto enriquecido foi aplicado via foliar. O autor concluiu que o B
foi rapidamente absorvido pelas folhas, chegando a atingir 50 % do B absorvido,
prximo de dez horas aps aplicao para o tomate e duas horas e meia aps a
aplicao para a beterraba. Observou-se que a aplicao do B via foliar no foi
eficiente para aumentar o teor do micronutriente no tecido novo das hortalias
emitido aps a aplicao, comparado a aplicao do nutriente via raiz, inferindo no
haver mobilidade do B nas culturas do tomate e da beterraba.
Mattiello et al., (2011) observaram a mobilidade de B em plantas de eucalipto
s aps a imerso da folha madura em soluo de H3BO3 enriquecida a 99% em
tomos de 10B. Como o mesmo objetivo de verificar a mobilidade de B em mudas de
pessegueiro Souza, Canesin e Buzetti (2012) conduziram experimento em casa de
vegetao. O cido brico enriquecido em 10B utilizado no experimento foi aplicado
via solo e/ou foliar. Os autores avaliaram a abundncia isotpica de B nas folhas
velhas e nas folhas novas e concluram que h mobilidade de B aplicado via foliar
em mudas de pessegueiro.
2.4 Mtodos de Separao dos istopos de B
Vrios mtodos tm sido propostos para a separao dos istopos estveis
de B (10B e 11B) com conseqente enriquecimento no istopo leve, entre os mtodos
pode-se mencionar: Separao fotoqumica (exemplo Laser de CO2); destilao
fracionada; difuso trmica, cromatografia lquida e cromatografia de troca inica.
No campo da separao isotpica, dois importantes fatores tm sido
fortemente enfatizados por Lin e Porto (1975). Primeiramente, o processo de
fotoqumica deve-se obter um produto isotopicamente enriquecido em maior escala,
e em segundo que a fotoqumica a laser um mtodo limpo para separao
isotpica e pode-se concluir com xito a separao. O sistema constitudo por uma
clula de vidro (tubo) 50 cm de comprimento e 2,5 cm de dimetro e 2 janelas de
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KBr so colocadas na extremidade para selar o tubo. Um sistema de vcuo
utilizado para controlar a presso do gs e manter condies especficas para
separao isotpica. Uma mistura contendo 10 torr de BCl3, 20 torr de H2 e
aproximadamente 1 g de Ti (ou outro metal) so introduzidos na cmara (Laser de
CO2 Molectron Corparation, Modelo T 250). As condies so obtidas para excitar
preferencialmente as molculas de 11BCl3 e no 10BCl3. A reao fotoqumica para
separao isotpica nestas condies concluda em 1,5 horas. Aps esse tempo
obteve-se 10% de incremento na concentrao de 10BCl3. Outros trabalhos
utilizando laser na dissociao da mistura BCl3/H2 tem sido propostos, mas com
baixo rendimento.
Kronberger e Nettley (1957) descrevem um sistema para separao dos
istopos de B com elevado enriquecimento no istopo leve 10B, utilizando-se da
destilao fracionada de BF3 temperatura de -95oC. Os autores determinaram o
fator de fracionamento (D) e a altura equivalente de uma placa terica (HETP -
Height Equivalent of Theoretical Plate) em uma pequena coluna de vidro, operando
a -100 oC e -115 oC. A concentrao ao longo da coluna com refluxo total possibilitou
verificar a diferena de D e h, sendo D a razo da presso de vapor entre p 11BF3/p10BF3 e h a altura equivalente de uma placa terica. Os autores obtiveram
valores de D = 1,0065 r 0,0003 e h = 2,53 cm para temperatura de destilao de
100 oC.
Makishima, Yoneda e Tajima (1957) determinaram a instabilidade trmica e a
viscosidade do vapor de borato de trimetila, proposto ser excelente para o
enriquecimento isotpico de 10B por difuso trmica.
Yoneda, Uchijima e Makishima (1959) estudaram pela primeira vez a
separao dos istopos de B usando a metodologia de troca inica. Os autores
determinaram o fator de fracionamento dos istopos de B nas reaes de troca entre
soluo aquosa de H3BO3 resina aninica base forte. Com a utilizao de soluo de
H3BO3 0,03 mol L-1 sem e com glicerol (8% (m/m)), obtiveram valores de D de 1,010
e 1,016 respectivamente. Os resultados preliminares mostraram que D aumenta com
o decrscimo da concentrao de H3BO3 e que provavelmente a presena de
glicerol foi responsvel pela diferena nos valores de D obtido para 0,1 mol L-1 em
H3BO3. O glicerol (polilcool) incrementa a acidez ou potencial cido do H3BO3 na
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soluo e essa diferena tem sido atribuda a maior ionizao do H3BO3 e por
consequncia um incremento no fator de fracionamento (D).
Palko, Begun e Landau (1962) determinaram o fator de fracionamento
isotpico para a troca entre BF3 e BF3O(CH3)2 em sistema de destilao multi-
estgio em diferentes temperaturas. Os resultados encontrados foram D = 1,029 r
0,003; 1,033 r 0,002 e 1,036 r 0,002 para 22oC; 4oC e 8C respectivamente.
Rosset et al. (1964) realizaram um estudo completo sobre a separao dos
istopos de B, utilizando reao de troca isotpica no equilbrio entre H3BO3 em
soluo aquosa e ons borato e poliboratos em resinas trocadoras de anions do tipo
amnio quaternrio amoniacal (RCH2N+(CH3)3). A fase da resina ficou enriquecida
em 10B. O fator de fracionamento decresceu de 1,018 a 1,009, para concentraes
de H3BO3 de 0,01 mol L-1 a 0,75 mol L-1.
Urgel et al. (1964) estudaram a separao dos istopos de B, por
cromatografia de troca inica e obtiveram fator de fracionamento variando de 1,035 a
1,027 em funo da concentrao do H3BO3 e 1,024 para complexo boro-manitol e
1,027 para boro-glicerol. Os autores obtiveram 61% em tomos de 10B, em sistema
de troca inica, com resinas aninicas, carregadas com H3BO3 (H2BO3-) e
deslocamento com HCl 0,1 mol L-1.
Christoph et al. (1976) estimaram o fator de fracionamento (D) para a reao
de troca entre o H310BO3 em soluo e 11B(OH)-4 na fase resina, onde verificou-se
uma dependncia quantitativa de D com a concentrao de H3BO3.
Sakuma et al. (1980) enriqueceram 10B 91% em tomos, partindo da
abundncia de 19,8% pelo simples processo de eluio com gua desionizada de
uma banda de H3BO3 0,1 mol L-1 por 256 m. O sistema era composto por colunas de
resina base fraca Diaon WA 21, 80- PHVK, ligados em srie, e temperatura
mantida 40C.
Itoh et al. (1985) avaliaram a influncia da concentrao de H3BO3 e da
temperatura de operao na separao dos istopos estveis de B. No trabalho foi
empregado resina aninica base fraca Diaion WA 21. O fator de fracionamento (D)
decresceu com o aumento da temperatura e da concentrao de cido brico (D
variou de 1,013 a 1,0073) variando a temperatura e concentrao de H3BO3 de 25oC
(0,1 mol L-1) e 76oC (0,6 mol L-1).
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Carneiro Junior et al. (1994) avaliaram a separao dos istopos estveis de
B (10B e 11B) por cromatografia de troca inica utilizando colunas de resinas Dowex
1X8 e Dowex 2X8. As colunas apresentavam 100 cm de comprimento e 1,4 cm de
dimetro. No processo a soluo eluente de HCl flui no leito da resina sob presso
da ordem de 0,2 MPa sob atmosfera de N2. O enriquecimento verificado foi de 43 e
40 % em tomos de 10B quando utilizou-se de resina Dowex 1X8 (18,7 m de
deslocamento da banda cromatogrfica) e Dowex 2X8 (13,3 m de deslocamento da
banda cromatogrfica) e soluo 0,1 mol L-1 de H3BO3 como eluente.
Vrios estudos de separao de istopos de B (10B e 11B) por cromatografia
lquida foram realizados com resinas especficas com glucamina com o grupo
funcional n-metil que tm afinidade especfica para H3BO3 e ons borato. Este tipo de
resina fortemente dependente da temperatura e do pH da soluo eluente e o fator
de fracionamento dos istopos de B variou-se entre 1,010 e 1,022 (OI et al., 1997;
SONODA; MAKITA; HIROTSU, 2006).
A dependncia de presso no valor do fator de fracionamento isotpico (D)
baseado na polimerizao do B na fase soluo e na fase resina foi discutida,
observou-se que os valores do fator de fracionamento de B a alta presso, 2,0 MPa
a 25,0 C, utilizando coluna cromatogrfica com resina aninica foi de 1,013, sendo
menor que os valores a 0,1 MPa (presso atmosfrica) (MUSASHI et al., 2006).
A reao de troca qumica gs-lquida outra forma de separao dos
istopos estveis de B, que ocorre por destilao envolvendo o equilbrio isotpico
entre o fluoreto de B gasoso e um fluoreto-doador de B lquido (HAN et al., 2006). A
produo de 10B por reao de troca qumica utilizando fluoreto de B e acetona para
elevada demanda do elemento no adequada, pois a maior limitao desta via de
produo a utilizao de solvente orgnico, acetona, sendo este controlado pela
Polcia Federal dificultando sua aquisio.
Trabalhando com colunas cromatogrficas de ao, Musashi et al., (2008)
avaliaram o fator de fracionamento (D) em relao a variao da presso, 5 e 17
MPa. Os autores puderam observar que quanto maior a presso, menor o fator de
fracionamento.
-
38
2.5 Mtodos de Anlise isotpica de B
Na qumica analtica, os pesos atmicos dos elementos qumicos so
fundamentais porque permitem relacionar a massa (m) com a quantidade de uma
matria (n). A determinao do peso atmico de um elemento que possuem diversos
istopos requer o conhecimento da massa atmica e a abundncia absoluta de cada
istopo.
So vrias as tcnicas analticas especificas para a determinao de
istopos: espectrometria de massas de razo isotpica, anlise por ativao
neutrnica, mtodos espectroscpicos e ressonncia magntica nuclear, todavia, a
espectrometria de massas apresenta aplicabilidade ao maior nmero de istopos e
permite que as abundncias relativas de diferentes istopos sejam medidas com alta
preciso e exatido (MYUNG et al., 2008).
Dentre as tcnicas analticas para determinao de isotpica de B (% em
tomos de 10B) destaca-se a espectrometria de massas com plasma (ICP-MS) e
espectrometria de massas por termoionizao (TIMS). Segundo De Laeter (1998), a
tcnica analtica mais confivel para medir os istopos a espectrometria de
massas.
Define-se, sinteticamente, o espectrmetro de massas como um equipamento
que tem recursos para produzir, acelerar, transmitir, separar, coletar e medir ons, de
tal forma que a razo das correntes inicas medidas proporcional frao molar
dos istopos da amostra.
2.5.1 Espectrometria de massas com fonte de plasma
A espectrometria de massas com fonte de plasma tcnica analtica
resultante do acoplamento de uma fonte de plasma com um espectrmetro de
massas (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry ICP-MS), e foi descrito
pela primeira vez por Gray em 1974. O ICP-MS um instrumento que separa ons, com base em suas razes
massa-carga (m/z). Os baixos limites de deteco, a seletividade, a preciso, a
exatido e a capacidade multielementar, fazem do ICP-MS uma ferramenta verstil e
largamente usada na identificao dos elementos presentes nas amostras.
-
39
Segundo Yamada e Okamoto (2001), a espectrometria de massas com fonte
de plasma (ICP-MS) apresenta-se como a melhor opo para a anlise
multielementar e simultnea de elementos, seja em rotina ou pesquisa. Esta tcnica
possui vantagens como: eliminao das interferncias comuns devido s altas
temperaturas do plasma e, principalmente, capacidade de determinao
multielementar, limites de deteco de poucos ng L-1 e faixa linear de ng L-1 a
centenas de mg L-1 (YAMAKA, 2001; WILBUR; SOFFEY; McCURD, 2004). O estado
da arte em anlise de elementos ao nvel ultratrao em amostras ambientais o
ICP-MS com clula de reao e coliso, para remoo de interferentes poliatmicos.
A sensibilidade dessa tcnica da ordem de 104 cps (contagens por segundo)
por g L-1 de cada elemento. Isto aplicando-se a voltagem mxima ao detector e
considerando uma contagem de fundo menor que 50 cps para a maioria dos
elementos, possibilita a varredura dos elementos desde a massa 6 at 238, de ltio
at urnio (GIN-ROSIAS, 1999).
O plasma, gs altamente ionizado, gerado a partir do escoamento, em
presso atmosfrica, de um gs condutor, geralmente o argnio, por campo
magntico induzido por bobina que envolve o tubo no interior do qual o gs escoa. A
partir da fonte de radio-frequncia e operando em potncia de aproximadamente
1300 Watts, o plasma sustentado durante toda a anlise.
As altas temperaturas existentes no interior do plasma permitem que muitos
elementos possam ser facilmente ionizados. A Figura 1 mostra o perfil de
temperaturas existente no plasma. Segundo Gin-Rosias (1999), no ICP-MS, a
amostra usualmente introduzida na forma de soluo convertida pelo nebulizador
em aerossol, que disperso num fluxo transportador de argnio. Aps a nebulizao
e passagem da amostra pela tocha, os ons gerados so conduzidos at o
analisador de massas do tipo quadrupolar - filtro de massas, possibilitando varredura
rpida onde so detectados em sistema multiplicador de eltrons.
Uma soluo de cido brico introduzida no instrumento, sendo vaporizada
ao passar por nebulizador concntrico. O vapor de gua retirado na cmara de
nebulizao. Os ons produzidos so atrados por sistema eletrosttico e
transportados por diferena de presso para o interior da cmara, onde so
-
40
focalizados, separados de acordo com a relao massa/carga e transmitidos para
um sistema de deteco de ons.
Figura 1 - Perfil de temperaturas no interior do plasma
Fonte: Oliveira Junior (2006)
Shu, Oberly e Cary (1993) demonstraram que o ICP-MS um equipamento
sensvel para determinar a razo isotpica (10B/11B) em amostras de pssego.
Corroborando com o autor, Boaretto (2006) aplicou na laranjeira um composto de B
enriquecido no istopo de 10B e utilizando-se do ICP-MS como ferramenta de
anlise, tornou-se possvel distinguir os istopos estveis de B. Todavia, a
determinao isotpica desse elemento por ICP-MS pode sofrer interferncias do
efeito de memria e da sobreposio do sinal do 12C sobre o 11B. No entanto, a
forma mais simples para minimizar os problemas de interferncias reduzir o
volume e as concentraes de B nas solues introduzidas no plasma (BELLATO,
2004).
2.5.2 Espectrometria de massas por termoionizao
A tcnica da Espectrometria de Massas por Termoionizao (TIMS) consiste
na gerao de ons atravs de evaporao controlada de uma amostra depositada
sobre um filamento de rnio aquecido por meio da passagem da corrente eltrica (i).
Os ons gerados do filamento so acelerados atravs de um gradiente de potencial
eltrico (at 10 kV) e concentrados em um feixe atravs de uma srie de lentes.
O TIMS capaz de fazer medies dos ons positivos e negativos com
acurcia e preciso. Destaca-se que as espcies inicas 133Cs210B16O2+ e 133Cs211B16O2+, massa 308 e 309, respectivamente e 10B16O2- e 11B16O2-, massa 42 e
-
41
43, respectivamente dos istopos de B so as principais espcies evaporadas. O
esquema do processo de ionizao por termoionizao utilizando a tcnica do
filamento simples apresentado na Figura 2.
Figura 2 - Processo de ionizao da amostra por termoionizao Filamento Simples
Fonte: Adaptado de Oliveira Junior (2006)
O equipamento composto por trs componentes principais: 1) fonte de ons,
regio no qual os ons so produzidos e acelerados; 2) analisador, regio no qual os
ons so separados pela razo massa/carga; e 3) coletor, regio no qual os ons so
medidos simultaneamente (multi-coletor). Na Figura 3, visualiza-se esquema deste
espectrmetro.
O TIMS utilizado para medidas da razo isotpica de elementos usados na
geocronologia e estudos de elementos traos (MUELLER; VERVOORT, 2012). Em
anlises de guas superficiais, Wieser (2009), utilizou o mtodo de anlise de ons
negativos, BO2-, para determinao da variao da abundncia natural dos istopos
de B. Para Spivack e Edmond (1986), a anlise envolvendo ons positivos, massa
308 e 309, reduz a sensibilidade do equipamento nas anlises dos istopos de B.
Xiao, Beary e Fasset (1988) e Kltzli (1992) corroboram com a baixa eficincia das
anlises de ons positivos e propuseram modificaes da tcnica original objetivando
menor fracionamento isotpico durante a anlise.
As vantagens da utilizao desse equipamento destacam-se: a) contribuio
desprezvel do efeito memria entre amostras depositadas em filamentos vizinhos no
carrossel (OLIVEIRA JUNIOR, 2006); b) baixo fracionamento isotpico das amostras
durante a anlise (WALCZYK, 2004); c) capaz de analisar nanograma do material
com alta preciso. Segundo Wieser (2009), possvel analisar 10 ng de B nas
Filamento Simples
Fita de rnio ons
Amostra
-
42
formas inicas de 10B16O2- (massa 42) e 11B16O2- (massa 43) com preciso melhor
que 0,005% e uma reprodutibilidade 0,05%.
Figura 3 - Esquema de um espectrmetro de massas por termoionizao
Fonte: Oliveira Junior (2006)
-
43
3. MATERIAL E MTODOS
3.1 Material
Os equipamentos listados foram necessrios para o desenvolvimento do
trabalho, estando esses alocados notadamente no Centro de Energia Nuclear na
Agricultura da Universidade de So Paulo e o nico equipamento, o espectrmetro
de massa por termoionizao (TIMS), no Laboratrio de Cincia Isotpica do
Departamento de Fsica e Astronomia da Universidade de Calgary (Canad).
3.1.1 Resinas aninicas Foi utilizada resina aninica de base forte do tipo poliestireno divinilbenzeno
do tipo Dowex 1X8. A resina apresenta as seguintes caractersticas: 8% de teor de
polimerizao com divinilbenzeno (DVB), grupo funcional CH2N+(CH3)3; 100-200
PHVK e capacidade de troca aninica (Cl-) de 1,2 meq mL-1 (resina mida,
equilibrada em gua).
3.1.1.1 Sistemas de colunas de resina
Para o desenvolvimento do trabalho foram montados dois sistemas (S1 e S2)
de colunas de acrlico transparente. No sistema S1 foram utilizados 6 colunas de
1800 mm de comprimento e 80 mm de dimetro, com 5 mm de espessura da
parede, sendo 70 mm de dimetro interno, preenchidas com 7 litros de resina
aninica.
Para o sistema S2, foram utilizadas 6 colunas de acrlico de 1800 mm de
comprimento e 40 mm de dimetro, com 5 mm de espessura de parede, sendo 30
mm de dimetro interno, preenchidas com 1,3 litros de resina aninica. Para ambos
os sistemas, foram usados pistes de bronze e inox; conexes de silicone e
borracha; anis de neoprene e telas de polister de malha 300.
-
44
Cabe ressaltar que o laboratrio onde ficavam as colunas trocadores de ons,
era climatizado e a temperatura mdia mantida neste ambiente foi de
aproximadamente, 22 C.
3.1.2 Equipamentos
Para o desenvolvimento do trabalho, os equipamentos descritos a seguir
foram necessrios: Agitador magntico, modelo 257, Fanem; Balana eletrnica
digital modelo ER-182A, range 0,0001g, marca And; Balana eletrnica digital
modelo Mark 2200, range 0,01g, marca Tecnal.
Para a determinao da concentrao de B nos efluentes das colunas
cromatogrficas foi utilizado o sistema automatizado de anlise em fluxo (FIA)
acoplado ao um espectrofotmetro, modelo FEMTO 600S com cela de fluxo com
volume interno de 80 L de passo ptico de 10 mm.
Para as determinaes isotpicas de B (em tomos de 10B) foram utilizados
os seguintes equipamentos: Espectrmetro de massa com plasma indutivamente
acoplado (ICP-MS) marca Agilent, modelo 7500ce, com sistema octopolo de reao,
nebulizador concntrico, com vazo de 1 mL min-1 e sistema de injeo de amostras
em fluxo; Espectrmetro de massa por termoiozinao (TIMS - Thermal Ionization
Mass Spectrometry) marca Thermo-Finnigan, modelo Triton, com multi coletor
equipado com nove coletores Faraday, com capacidade para 21 filamentos, alocado
no Laboratrio de Cincia Isotpica do Departamento de Fsica e Astronomia da
Universidade de Calgary, cidade de Calgary, Provncia de Alberta, Canad.
3.1.3 Solues qumicas
Para o desenvolvimento dos diversos procedimentos analticos descritos
neste trabalho, todas as solues foram preparadas com gua desionizada. Durante
a preparao dos reagentes, armazenamento das amostras e preparao das
amostras para anlises, atentou-se em utilizar apenas recipientes de plstico
objetivando evitar possveis contaminaes com B presente nas vidrarias de
laboratrio (borossilicatos).
-
45
3.1.3.1 Solues empregadas no experimento
Soluo de hidrxido de sdio (NaOH) 2 mol L-1 preparada
dissolvendo-se 16 kg de NaOH em 200 L de gua;
Soluo de cido clordrico (HCl) 0,1 mol L-1 preparada diluindo-se 834
mL de HCl em 100 L de gua;
Soluo de cido clordrico (HCl) 0,05 mol L-1 preparada diluindo-se
417 mL de HCl em 100 L de gua;
Soluo de cido brico (H3BO3) 0,1 mol L-1 preparada dissolvendo-se
185,4 g de H3BO3 em 30 L de gua;
Soluo de azometina-H 0,7 % (m/v) preparada dissolvendo-se,
inicialmente, 5 g de cido ascrbico (C6H8O6) e aps dissoluo, 1,75 g de
azometina-H em 250 mL de gua;
Soluo Tampo preparada dissolvendo-se, inicialmente, 66 g de
fosfato de amnio ((NH4)2HPO4) e aps dissoluo, 12,5 g de EDTA
(C10H14N2Na2O8.2H2O) em 250 mL de gua.
3.1.4 Outros Materiais Bales volumtricos de plsticos;
Agitador e barra magntica
Bquer de plstico;
Conta gotas de plstico;
Micropipeta de 20, 50, 200, 1000 e 10000 PL;
Provetas;
Tubo do tipo FALCON de 50 mL;
Fitas de rnio
-
46
3.2 Mtodos
3.2.1 Separao dos istopos estveis de B, por cromatografia de troca inica
O mtodo de separao dos istopos estveis de B consiste na reao de
troca isotpica entre o B(OH)3, na fase aquosa, e nions B(OH)4-, adsorvidos em
resinas de troca aninica do tipo amnio quaternrio, em dois sistemas de colunas.
3.2.1.1. Montagem do sistema de troca inica
Cada coluna (Figura 4) foi constituda, em sua parte inferior, por uma pea
cilndrica presa ao tubo por intermdio de uma rosca. Na base da pea, foi ajustada
uma tela de polister de malha 300, com a finalidade de suportar a resina e permitir
o fluxo das solues com o auxlio de 1 vlvula de PTFE e PVC de sete vias. A
vedao na base da coluna foi obtida com a utilizao de um anel de neoprene
colocado acima da tela. As vlvulas especiais em PTFE de sete vias foram
dimensionadas e montada por empresa especializada, pois no foi encontrada
similar no mercado nacional e at mesmo no exterior. As Figuras 5 e 6 mostram
detalhes da referida vlvula de sete vias.
Figura 4 - Colunas de acrlico ( externo de 80 mm sistema S1 e externo 40 mm sistema S2), com base e topo finalizados para montagem de sistema cromatogrfico
-
47
Figura 5 - Detalhes da Vlvula de PTFE de 7 vias, para distribuio de fluxos (H3BO3, H2O, NaOH e HCl), fluxo de efluentes (esgoto e entre colunas) e interligar colunas de resina
Figura 6 - Detalhes das peas interna da vlvula de PTFE de 7 vias (conexes, embolo, arroela, borracha de vedao, entre outros)
Na parte superior, por onde foram admitidas as solues, adaptou-se coluna
um pisto de bronze e inox, de corpo cilndrico, com dois anis de neoprene para a
vedao. O pisto desloca para baixo e para cima, possibilitando variar a presso da
cmara de ar no topo da coluna, permitindo o controle do nvel de soluo acima da
resina. Na bDVHGRSLVWmR IRL DGLFLRQDGRXPD WHOD GHQ\ORQGH PHVK FRPR
objetivo de suportar a resina e evitar perdas. Detalhes do pisto para controle de
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48
fluxo e nvel de solues no topo das colunas podem ser observados nas
Figuras 7 e 8.
Figura 7 - Detalhes do pisto dimensionado para as colunas do sistema S1 (colunas com dimetro interno de 70 mm)
Figura 8 - Detalhes do pisto a ser utilizado no sistema S2 de colunas (dimetro interno de 30 mm)
Os reservatrios das solues de NaOH e HCl utilizados no processo
regenerativo e enriquecimento de 10B foram construdos em resina estervinlica, com
resistncia qumica aos produtos utilizados no processo de enriquecimento (Figuras
9 e 10). Esses reservatrios ficam localizados ao lado do sistema (Figura 11). O
reservatrio de gua desionizada utilizado no processo de lavagem fica localizado
4 metros acima do sistema cromatogrfico.
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49
Figura 9 - Reservatrio em fibra de vidro (200 litros) para soluo regenerante de NaOH, sob presso de N2 gasoso (0,22 MPa)
Figura 10 - Reservatrio de fibra de vidro (100 litros) para soluo eluente de HCl, sob presso de N2 gasoso (0,22 MPa)
-
50
A eluio das solues de NaOH e HCl, envolvidos no processo de
regenerao e enriquecimento, foi realizado com auxlio de nitrognio gasoso sob
presso de 0,22 MPa. A gua desionizada utilizada no processo de lavagem flui pelo
leito fixo da coluna de resinas por ao gravitacional. O sistema cromatogrfico
completo a ser empregado para a separao dos istopos estveis de B pode ser
observado na Figura 12.
A fonte de B, no sistema de separao isotpica, foi obtida a partir da soluo
de H3BO3, com concentrao de 0,1 mol L-1, e foi admitida no sistema
cromatogrfico a partir de um reservatrio, em fibra de vidro, sob atmosfera de N2 (0,22 MPa), especialmente projetado e construdo para esse fim. A soluo de cido
brico apresentava abundncia isotpica natural para os istopos estveis de B
(19,8 % tomos de 10B). A Figura 13 apresenta o reservatrio para a carga de
H3BO3.
Figura 11 - Detalhes da linha de separao isotpica de B (reservatrios, distribuio de solues, sistema de gs N2, suportes, grade em ao inoxidvel, equipamentos, entre outros).
-
51
Figura 12 - Sistema de colunas (sistema S1 e sistema S2) com resina aninica (Dowex 1X8) para separao dos istopos estveis de B
Figura 13 - Reservatrio, em fibra de vidro para soluo de cido brico (carga da resina aninica Dowex 1X8)
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52
3.2.1.2 Preparo da resina aninica Dowex 1X8
Previamente a acomodao nas colunas, as resinas foram lavadas vrias
vezes com gua desionizada, objetivando remover possveis resduos orgnicos do
processo de fabricao. Nas colunas, as resinas foram regeneradas forma
hidroxila e cloreto, alternadamente por 3 ciclos, utilizando solues 2 mol L-1 de
NaOH e 1,0 mol L-1 de HCl. Esse procedimento alm de eliminar impurezas,
objetivou ativar os stios ativos das resinas. Aps esta etapa providenciou-se a
lavagem do leito da resina com gua desionizada para posterior carga dos stios
ativos da resina com soluo 0,1 mol L-1 de H3BO3 e consequentemente a formao
da banda cromatogrfica.
3.2.1.3 Preparo da banda de cido brico (H3BO3) Com a resina no estado inico OH-, fez-se fluir pela coluna, a uma velocidade
de fluxo de 1,0 a 3,0 mL cm-2 min-1, soluo 0,1 mol L-1 de H3BO3, com razo
isotpica natural de 10B e 11B. O comprimento da banda cromatogrfica de cido
brico foi de 130 cm e a mesma foi formada individualmente, para os dois sistemas
S1 e S2. Aps a formao da banda, iniciou-se o deslocamento da mesma com
soluo 0,05 mol L-1 de HCl com taxa de fluxo de 1,0 a 3,0 mL cm-2 min-1.
3.3 Separao de 10B por cromatografia de troca inica em sistema individual de colunas: Enriquecimento de 10B
A separao dos istopos de B (10B e 11B) foi realizada a partir da reao de
troca isotpica entre o B(OH)3, na fase aquosa, e nions B(OH)4-, adsorvidos na
resina, regenerada a forma OH-. No processo, uma banda de on borato foi
deslocada pela coluna de resina, utilizando-se, como afluente uma soluo 0,05 mol
L-1 de HCl. A soluo cida ao ser admitida no topo da coluna de resina, carregada
com ons B(OH)4-, promoveu a eluio dos mesmos e a formao de uma banda
cromatogrfica.
A reao global de troca isotpica por cromatografia de troca inica pode ser
representada pela equao (1)
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53
10B(OH)3(S) + 11B(OH)4-(R) { 11B(OH)3 (S) + 10B(OH)4-(R) (1)
onde (R) e (S), representam fase resina e soluo, respectivamente.
No deslocamento da banda a mesma ficava confinada entre dois limites bem
definidos, dados pela constante de equilbrio das reaes de troca inica na parte
frontal, entre os nions B(OH)4- e OH- adsorvidos, e na parte traseira da banda,
devido a troca entre o Cl- em soluo e nions borato adsorvidos (MIERA; COMAS;
LOPEZ, 1985; CARNEIRO JUNIOR et al., 1994).
O procedimento adotado no deslocamento da banda de B foi o de manter
sempre duas colunas ligadas em srie. Quando a banda de B(OH)4- percorria a
coluna 1, era totalmente recebida pela coluna 2, deixando a primeira carregada na
forma Cl-. A primeira coluna era retirada do circuito e na frente da segunda, que
continha a banda, conectava-se em srie uma terceira, previamente regenerada
forma OH- que na sequncia receberia a banda. As colunas 2 e 3 permaneciam
ligadas em srie, enquanto a banda de cido brico por elas se deslocava,
repetindo-se a situao de inicio, at que uma quarta coluna fosse requerida, e
assim sucessivamente. Dessa forma, a banda de cido brico pode ser
continuamente deslocada. Em funo do deslocamento e sendo o processo
dinmico, o istopo leve vai se acumulando na traseira da banda e o istopo pesado
na frente de deslocamento. Com o deslocamento da banda deve-se proceder a
retirada de alquotas (cerca de 1 ml) de cido brico, tendo como referncia a
traseira de deslocamento (interface entre a soluo afluente de HCl, com R-Cl na
fase resina e o on B(OH)4- nessa mesma fase). Desta forma, obtm-se um perfil
completo da banda contendo B, onde a mesma pode ser dividida em trs fraes, a
saber: frao enriquecida em 10B (traseira da banda); frao com abundncia natural
em 10B (patamar com abundncia natural nos istopos) e frao empobrecida em 10B (frente de deslocamento da banda cromatogrfica). Assim, foi avaliado o
potencial de separao dos istopos estveis de B fazendo-se uso dos sistemas de
forma individual. Este procedimento foi realizado para os sistemas S1 e S2.
-
54
3.4 Interao (acoplamento) dos sistemas S1 e S2
O procedimento realizado envolveu a produo de H310BO3 com o mximo
enriquecimento em 10B no sistema S1, a comear da abundncia natural do istopo 10B, e transferncia de parte do volume enriquecido para o sistema S2. Na ocasio,
uma frao de 20 cm da banda cromatogrfica de cido brico mais enriquecida
(traseira da banda) em 10B, do sistema S1, foi introduzida na proximidade traseira
(topo da coluna) da banda do sistema S2, como mostra a Figura 14. Com esse
procedimento (admisso de H310BO3 em S2) objetivou-se aumentar a regio
enriquecida da banda de H310BO3 e possibilitar um incremento no nmero de placas
tericas, consequentemente, obter maior enriquecimento isotpico no S2, de acordo
com o modelo matemtico (equao 2) em sistema contra corrente. Em condies
que o fator de fracionamento isotpico ) e Height (TXLYDOHQWRI7KHRUHWLFDO3ODWH
(HETP) so constantes, devido manuteno dos parmetros tais como: tipo de
resina, velocidade de deslocamento superficial, tipo de eluente e temperatura, a
frao molar do istopo leve no produto (Np), influenciado por este mesmo
parmetro na alimentao (No) e exponencialmente pelo nmero de placas tericas
(S) e consequentemente pelo comprimento da banda cromatogrfica enriquecida (L).
Np = No.e 6-1) (2)
Onde:
Np = frao molar do istopo leve do produto;
No = frao molar do istopo leve na alimentao;
S = nmero total de placas tericas (S = L/HETP, onde L comprimento da
banda cromatogrfica e HETP);
IDWRUGHIUDFLRQDPHQWR isotpico.
A utilizao da soluo 0,05 mol L-1 de HCl permaneceu durante o processo
de acoplamento e aps esse procedimento, os sistemas S1 e S2, continuaram se
deslocando independente um do outro.
O acoplamento foi realizado quando os 20 cm ltimos da banda
cromatogrfica do sistema S1 estava em 137 DBC e estes, foram transferidos no
-
55
momento antecedente aos 20 cm finais banda cromatogrfica do sistema S2, que se
encontrava em 129 DBC. Foi determinada a massa total de 10B transferida do
sistema S1 para o sistema S2.
A quantificao de 10B na banda cromatogrfica em funo do deslocamento
aps o acoplamento foi realizada com base nos perfis obtidos a cada 25,2 e 21,6 m,
para o sistema S1 e S2, respectivamente.
Figura 14 - Processo de interao (acoplamento) entre os sistemas (S1 e S2) de colunas contendo resina aninica, no processo de obteno de 10B(OH)3 altamente enriquecido em 10B
-
56
3.5 Determinao da massa acumulada de 10B e de H310BO3 A massa acumulada de 10B e de H310BO3 (equao 3) pode ser obtida a partir
do perfil de enriquecimento (% em tomos de 10B em funo da distncia da traseira
da banda) como descrito no item 3.3, da concentrao de B (meq L-1) no mesmo
perfil e do volume efluente (mL) por cm de deslocamento. A soluo de cido brico
apresenta abundncia isotpica natural para os istopos estveis de B. Com o
deslocamento da banda cromatogrfica ocorre o enriquecimento do 10B na traseira
da mesma e conseqente empobrecimento em 11B nesta faixa da banda. Dessa
forma, a partir da equao (3) foi determinada a massa acumulada do istopo de 10B
e do cido brico enriquecido no istopo leve.
m
(3) M = 6 Vi Ci PMi Bi/100
i=1
Onde:
M: massa de 10B (mg) acumulada no perfil da banda enriquecida;
Vi: volume (L) da soluo de H3BO3 efluente da frao i (V10,8; V8,5; V5,3
conforme Figura 15.
Ci: concentrao de B (mmol L-1);
PMi: peso atmico do B na frao i (mg mmol-1 de B)
Bi: abundncia mdia de 10B na frao i (% em tomos de 10B).
-
57
Figura 15 - Perfil de uma banda de B(OH)3 e B(OH)4- em sistema cromatogrfico eludo com soluo de HCl
3.6 Determinao isotpica de B (% em tomos de 10B), por espectrometria de massas, em efluente do sistema cromatogrfico
As determinaes das abundncias isotpicas de B (% em tomos de 10B),
nos efluentes dos sistemas de colunas cromatogrficas, utilizaram-se dos
espectrmetros de massas com fonte de plasma (ICP-MS) e por termoionizao
(TIMS), conforme descrito nos itens 2.5.1 e 2.5.2. As Figuras 16 e 17 ilustram os
espectrmetros com fonte de plasma e por termoionizao, respectivamente.
Ressalta-se que os softwares utilizados nos espectrmetros controlam os
componentes primrios do hardware dos espectrmetros e os acessrios de
amostragem, gerncia o processo de aquisio de dados e executa os clculos
necessrios para a produo final dos resultados analticos.
V 1,0 i = 1
V 2,1 i = 2 V 3,1 i = 3 V 5,3 i = 4
V 8,5 i = 5 V 10,8 I =
Cl-R
HCl
+
B(OH)4(R)
B(OH)3 (S); B(OH)4-(S)
ponto de coleta
1 2 3 5 8
10
0 (S)
-
58
Figura 16 - Espectrmetro de massas com fonte de plasma (ICP-MS) - Laboratrio de Anlise e Referncia em Amostras Ambientais e Fertilizantes do CENA/USP
Figura 17 - Espectrmetro de massas por termoionizao (Thermal Ionization Mass Spectrometry - TIMS) - Laboratrio de Cincia Isotpica do Departamento de Fsica e Astronomia da Universidade de Calgary, cidade de Calgary
-
59
3.6.1 Preparo das amostras para determinao isotpica de B (% em tomos de 10B) no ICP-MS
No processo analtico, pipetou-se alquotas que variaram de 30 a 1000L das
amostras coletadas da banda cromatogrfica, em frascos de polipropileno, de acordo
com a concentrao da amostra. Na sequncia, as amostras foram diludas com
iJXDXOWUDSXUD0FPGRVLVWHPD0LOOL-Q), em tubos do tipo Falcon, obtendo-
se um volume final de 25 mL (Figura 18). Logo aps, foram retiradas alquotas de
250 L e acidificadas com 4,75 mL de HCl 0,16 % (m/v) e encaminhadas para o ICP-
MS. As concentraes de B nas amostras a serem analisadas variaram de 100-150
g L-1de B.
A determinao da razo isotpica de B, nas amostras, foi realizada a partir
das leituras nos sinais de razes massa/carga (m/z) 10 e 11 e a integrao da rea
do pico de cada sinal.
Figura 18 - Diluio de amostra utilizando tubos do tipo Falcon com fundo cnico, estreis, graduados e com capacidade de 50 mL
-
60
Para cada rodada de amostras, a soluo enriquecida e certificada de 10B
(Tetraborato de amnio hidratado) da PerkinElmer Atomic Spectroscopy Standard e
a soluo enriquecida da Cambridge Isotope Laboratores Inc. foram analisadas bem
como o padro NIST SRM 951 com abundncia isotpica natural. Os principais
parmetros instrumentais esto listados na Tabela 2.
Tabela 2 - Condies de operao do ICP-MS Agilent 7500ce
Potncia da Rdio Frequncia 1500 W Gs plasma 15 L min-1 Gs auxiliar 1 L min-1 Distncia amostrador 9,5 mm Tocha-H 1,1 mm Tocha-V 0,1 mm Gs carregador 0,93 L min-1 Gs complementar 0,1 L min-1 Bomba nebulizador 0,05 rpm
3.6.2 Preparo das amostras para determinao isotpica de B (% em tomos de 10B) no TIMS
Para a montagem dos filamentos simples foram necessrios fitas de rnio
com largura de 1 mm e espessura de 0,25 mm, conforme Figura 19.
Figura 19 - Fita de rnio utilizado para a montagem do filamento para anlise isotpica de B
-
61
As fitas foram cortadas com aproximadamente 20 mm de comprimento,
prensadas em formato de U, utilizando um aparato especial e, soldadas nos
filamentos (Figuras 20 a, b, c, d, e, f). Aps a soldagem e visando a
descontaminao, os filamentos foram instalados na estao de desgaseificao
submetendo-os a 1800C em uma cmara de alto vcuo por 90 minutos (Figura 21).
Com auxlio de uma micropipeta, foram adicionados 1,5 L da soluo
ativadora de Ca(NO3)2 (com aproximadamente 15 g L-1 de Ca) nos filamentos e