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DETERMINAÇÃO DE NITROGÊNIO TOTAL EM AMOSTRAS DE ROCHA PETROLÍFERA PELO MÉTODO KJELDAHL / INDOFENOL

Fernanda Nunes Ferreira Bolsista de Inic. Científica, Química Industrial, UFF

Maria Inês Couto Monteiro Orientadora, Química Analítica, D. Sc.

Lílian Irene Dias da Silva Co-orientadora, Físico-Química, M. Sc.

Manuel Castro Carneiro Co-orientador, Química Analítica, D. Sc.

RESUMO

O método micro Kjeldahl / indofenol foi implementado para determinação de nitrogênio total em amostras de rocha petrolífera e de solo, utilizando sistemas de digestão e de destilação por arraste de vapor. Foram realizados estudos da influência do tempo de digestão, das temperaturas dos poços do bloco digestor, da recuperação de NH3 nas etapas de

digestão e destilação e da influência do Se como catalisador na digestão das amostras. Os resultados obtidos indicaram que os sistemas de digestão e de destilação e o método do indofenol são adequados para a determinação de N Kjeldahl total , e não há necessidade da utilização do catalisador de Se na etapa de digestão das amostras testadas.

1. INTRODUÇÃO

1.1. MÉTODOS UTILIZADOS PARA DETERMINAÇÃO DE NITROGÊNIO TOTAL

Os métodos mais utilizados para a determinação de nitrogênio total são: (a) o método Kjeldahl, que é essencialmente um procedimento de oxidação úmida e (b) o método de Dumas, que é basicamente uma técnica de oxidação seca (combustão) (KEENEY e BREMNER, 1967).

O método Kjeldahl para determinação de nitrogênio Kjeldahl total (NKT) tem sido utilizado desde 1883 (YASUHARA e NOKIHARA, 2001). Apresenta como principal vantagem o uso de uma aparelhagem extremamente simples e pouco onerosa. De acordo com Bremner (1965) e Keeney e Bremner

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(1967), o método clássico Kjeldahl é satisfatório para a análise de Ntotal para a maioria dos compostos nitrogenados que ocorrem nos solos e plantas. Entretanto, não apresenta resultados satisfatórios quando estão presentes compostos com ligações N-N e N-O. Uma fração das espécies N-NO3- e N-NO2- pode ser recuperada pelo método clássico Kjeldahl, sendo que a recuperação é muito variável, dependendo da quantidade de água e de matéria orgânica presente no solo. Altas recuperações foram obtidas com solos orgânicos (BREMNER, 1965). As espécies de N-NH4+fixo (KEENEY e BREMNER, 1967) e Norgânico (BREMNER, 1965) retidas nas camadas interlamelares das amostras superficiais de minerais argilosos e de solos orgânicos são recuperadas quantitativamente pelo método Kjeldahl, porém para subsolos contendo altas concentrações de N-NH4+fixo este método não fornece completa recuperação do N-NH4+fixo nativo.

1.2. MÉTODO KJELDAHL

O método clássico Kjeldahl compreende duas etapas: (1) digestão da amostra para converter Norg. a íon amônio (N-NH4+) e (2) determinação do N-NH4+ no digerido, após destilação com álcali. O sulfato de amônio resultante da digestão é aquecido com uma base, desprendendo amônia (NH3), e a reação pode ser representada pela equação: NH4+ + OH- ⇔ NH3 + H2O. A amônia é então recolhida em uma solução ácida, e a espécie N-NH4+ determinada por colorimetria, eletrodo íon seletivo ou titulação com solução padrão ácida (BREMNER, 1965; YASUHARA e NOKIHARA, 2001).

1.3. DIGESTÃO DA AMOSTRA PELO MÉTODO KJELDAHL

Na etapa de digestão do método clássico Kjeldahl, a amostra é aquecida com ácido sulfúrico. São utilizados sais (K2SO4 ou Na2SO4) para aumentar a temperatura de ebulição do H2SO4, e catalisadores, tais como Se, Hg ou Cu que promovem um aumento da velocidade de oxidação da matéria orgânica (BREMNER, 1965). A temperatura, que é controlada pela quantidade de K2SO4 (ou Na2SO4) empregada, é um importante fator na digestão do método clássico Kjeldahl. Quando se utilizam baixas concentrações de K2SO4 são necessárias várias horas de digestão. Com altas concentrações, o tempo de digestão é reduzido, diminuindo os perigos inerentes à operação. Entretanto, a utilização de altas concentrações de K2SO4 apresentam a desvantagem da formação de um digerido sólido, quando arrefecido à temperatura ambiente,

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sendo necessário dissolvê-lo com água antes da destilação. Outra desvantagem é a formação de espuma durante a digestão de amostras de solo orgânico e perdas de N, que podem ocorrer quando a temperatura de digestão ultrapassa 400°C .

Os catalisadores aumentam a velocidade de digestão, quando baixas concentrações são utilizadas, e têm praticamente nenhum efeito quando são utilizadas altas concentrações. Na produção rápida de um digerido claro, os catalisadores são apresentados em ordem decrescente: Se > Hg > Cu. Selênio não é significativamente mais eficiente que Hg quando são consideradas as velocidades de clareamento do digerido e conversão de Norg. a N-NH4+, mas Se e Hg são consideravelmente mais eficientes que Cu. Uma avaliação crítica da literatura indicou que Se é um catalisador seguro e eficiente quando adequadamente utilizado, e perda de N ocorre somente quando usado em excessiva quantidade ou com grande quantidade de K2SO4 ou Na2SO4, e digestão muito prolongada. Considerando-se ambos os efeitos de clareamento do digerido e conversão de Norg. a N-NH4+, Hg é mais eficiente que Se. Entretanto, dificulta a liberação do NH3 na destilação (BREMNER, 1965). No método utilizado pela FEEMA (1983) para determinação de NKT em águas de abastecimento público, despejos industriais e esgotos sanitários, há somente utilização de Cu+2 como catalisador, na etapa de digestão da amostra.

1.4. DETERMINAÇÃO DA ESPÉCIE N-NH4+ POR COLORIMETRIA

O íon NH4+ tem sido determinado por diferentes métodos, sendo que os mais utilizados são os métodos espectrofotométricos: método do indofenol (reação de Berthelot), procedimento de difusão de gás/ indicador ácido-base e do reagente de Nessler (VAN STANDEN e TALJAARD, 1997). Para análise de solos é geralmente utilizado o método titrimétrico (BREMNER, 1965).O método do indofenol se baseia na formação do composto azul intenso de indofenol, resultante da reação da amônia com um composto fenólico na presença de um agente oxidante e catalisador (FEEMA, 1983).

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2. OBJETIVO

Esse trabalho tem como objetivo implementar o método micro Kjeldahl/ indofenol, utilizando sistemas de digestão e de destilação por arraste de vapor para determinação de NKT em amostras de rocha petrolífera e de solo.

3. MATERIAIS E MÉTODOS

3.1. INSTRUMENTAL

Para a digestão das amostras foi utilizado um bloco digestor TE-008/25 com capacidade para 8 provas micro, fornecido pela Tecnal (Piracicaba - SP, Brasil). Foi construído um sistema de vidro pyrex e utilizado vácuo para sucção do SO3, produzido durante a digestão das amostras. Para a destilação do NH3 foi utilizado um destilador modelo TE 036/1 Tecnal, semi-automático.

Para as determinações da espécie N-NH4+ foi utilizado um espectrofotômetro Perkin-Elmer Lambda 12/1.0 nm (1.3) UV-Vis.

Para a medição da temperatura dos poços do bloco digestor, foi utilizado um termopar CONTEMP, Indústria, Comércio e Serviços LTDA modelo IM-01, entrada K(IPTS).

3.2. REAGENTES, SOLUÇÕES E AMOSTRAS

Todas as soluções foram preparadas utilizando reagentes de grau analítico (P.A.). Água destilada e deionizada foi purificada em um sistema Milli-Q. Foram utilizados ácido sulfúrico e hidróxido de sódio, fornecidos pela Vetec Química Fina Ltda.; sulfato de cobre, sulfato de potássio, cloreto de amônio, fenol e nitroprussiato de sódio fornecidos pela Merck; hipoclorito de sódio da Isofar. Foram utilizados três materiais de referência certificados de solo, NCS DC 73319, 73321, 73326, fornecidos pelo China National Analysis Center for Iron and Steel (Beijing - China). Foram analisadas duas amostras de arenito 7 e 9.

Foram preparadas as seguintes soluções - padrão para a construção da curva analítica:

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Solução - padrão estoque de amônio 100 mg L-1 N-NH4+: dissolveram-se 0,382 g de NH4Cl anidro, previamente seco a 100oC, em água e diluiu-se para 1000 mL. Solução - padrão intermediária de amônio 10 mg L-1 N-NH4+: foram pipetados 5 mL da solução estoque de amônio e diluídos para 50 mL com água em balão volumétrico. A solução foi utilizada imediatamente após a sua preparação.

Soluções - padrão de amônio 0,1 a 0,5 mg L-1 N-NH4+: foram preparadas soluções - padrão com concentrações finais de N na faixa de 0,1 a 0,5 mg L-1 em H2SO4 0,036 mmol L-1, diluindo-se adequadamente os padrões intermediários. A solução foi utilizada imediatamente após a sua preparação. Quando as soluções - padrão foram submetidas às etapas de digestão e destilação, foram utilizadas massas iniciais de NH4Cl de 5 a 25 µg N.

Na etapa de digestão foram utilizadas as seguintes misturas:

Mistura de digestão A: sulfato de potássio e sulfato de cobre foram misturados na proporção de 3:1 (em massa) e triturados num gral de ágata. Mistura ácida digestora A: a solução foi preparada misturando-se 10 g da mistura de digestão A, 100 mL de água e 100 mL de H2SO4 concentrado. Mistura de digestão B: foram misturados 100 g de sulfato de potássio, 10 g de sulfato de cobre e 1g de Se, previamente triturados em gral de ágata separadamente. A mistura foi homogeneizada em grau de ágata.

Para a etapa de destilação foram utilizadas as soluções de:

Solução de hidróxido de sódio 10 mol L-1: foram pesados 400 g de NaOH e dissolvidos em água. A solução foi avolumada com água a 1000 mL. Solução de ácido sulfúrico 0,9 mmol L-1: adicionaram-se 25 mL de H2SO4 concentrado em cerca de 500 mL de água. Após arrefecimento da solução à temperatura ambiente, completou-se o volume com água para 1000 mL. Pipetaram-se 2 mL desta solução e diluiu-se com água para 1000 mL.

Para a reação colorimétrica foram utilizadas as seguintes soluções:

Solução de fenol e nitroprussiato de sódio - foram pesados 5 g de fenol e 0,025 g de nitroprussiato de sódio, dissolvidos em água e misturados. O volume da solução foi completado com água a 100 mL. Solução de hipoclorito de sódio e hidróxido de sódio - foram dissolvidos 2,5 g de NaOH em um pouco de água e misturados com uma solução de

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hipoclorito de sódio contendo aproximadamente 0,21% de cloro ativo. A solução foi avolumada para 100 mL com água.

3.3. MÉTODOS

3.3.1. PRÉ-TRATAMENTO DAS AMOSTRAS DE ROCHA PETROLÍFERA CONTENDO PETRÓLEO (AMOSTRAS 7 E 9)

A Figura 1 apresenta um fluxograma do procedimento para o pré-tratamento das amostras de rocha petrolífera contendo petróleo (amostras 7 e 9).

Figura 1. Procedimento para o pré-tratamento das amostras de rocha petrolífera contendo petróleo.

3.3.2. DETERMINAÇÃO DE NKT

A determinação de NKT pelo método micro Kjeldahl foi realizada na ausência de Se (procedimento A) e na presença de Se (procedimento B) na etapa de digestão das amostras (Figura 2).

200g amostra

500 mL n-hexano

Tampar bécher, agitar manual e ocasionalmente por 2h. Filtrar.

Repetir 4x, usando 300mL de n-hexano

Secar ao ar (12 h).

Pulverizar (peneira 150 mesh)

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4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1. ESTUDO DA VARIAÇÃO DA TEMPERATURA DOS POÇOS DO BLOCO DIGESTOR COM O TEMPO DE DIGESTÃO

Foi observada a variação de temperatura dos poços do bloco digestor com o tempo de digestão, quando o termostato indicava as temperaturas de 150 e 400oC. Os tempos de estudo foram aqueles utilizados na etapa de digestão (1h a 150oC e 2h a 400oC). A medição da temperatura teve início quando o termostato indicava que a temperatura desejada tinha sido atingida.

Procedimento A Procedimento B

0,2g amostra

5mL mistura digestora A

0,2g amostra

2mL H2O/ mg N

agitação/ repouso 30 min.

1,1g mistura digestora B + 3mL H2SO4 conc.

Agitação do tubo, aquecimento 150°C (1h), aquecimento 400°C (2h).

Digestão

Destilação da amônia

Arrefecimento da amostra à temperatura ambiente.

20mL de água

Conectar o tubo ao destilador Kjeldahl.

10mL NaOH 10 mol L-1

Ligar aquecimento da caldeira, que já foi previamente aquecida até ebulição.

Recolhimento do destilado em 20mL de H2SO4 0,9 mmol L-1 t≈4 min.

Determinação espectrofotométrica

da amônia

Transferir o destilado para balão volumétrico de 50 mL. Retirar uma alíquota de 2,5mL e transferir para balão volumétrico de 25mL.

2,0mL nitroprussiato de sódio + fenol + 2,0mL NaClO + NaOH

Avolumar, homogeinizar, deixar em repouso por 30 min.

Determinação espectrofotométrica ( λ = 630 nm)

Figura 2. Procedimento para a determinação de NKT pelo método micro Kjeldahl/ indofenol.

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Observaram-se variações entre 133 a 143oC e 346 a 374oC, quando o botão do termostato indicava que a temperatura atingia 150 e 400oC, respectivamente. Apesar da variação, durante a etapa de digestão, a temperatura não ultrapassou 400oC, evitando assim, perda de nitrogênio .

4.2. ESTUDO DE RECUPERAÇÃO DE NH3 APÓS AS ETAPAS DE DIGESTÃO E DESTILAÇÃO PARA DETERMINAÇÃO DE NKT

O estudo de recuperação de NH3 após as etapas de digestão e/ou destilação foi realizado utilizando soluções-padrão de NH4Cl, nas concentrações finais de 0,1; 0,2; 0,4 e 0,5 mg L-1 N-NH4+em H2SO4 0,036 mM. Foram utilizadas três condições: (a) soluções de NH4Cl submetidas às etapas de digestão e destilação (b) soluções de NH4Cl submetidas à etapa de destilação e (c) soluções de NH4Cl não submetidas às etapas de digestão e destilação.

Tabela 1. Temperaturas ( oC) dos poços do bloco digestor ( botão do termostato mantido a 150oC)

Tempo (min) zero 15 30 45 No poço

1 140 137 133 1342 143 135 134 1353 143 136 135 1344 140 135 136 1355 134 135 134 1346 138 136 135 1367 137 134 135 1368 135 136 136 135

Tabela 2. Temperaturas ( oC) dos poços do bloco digestor

( botão do termostato mantido a 400oC)

Tempo (min) zero 30 60 90 120 No poço

1 351 363 345 363 3522 369 367 351 353 3483 364 364 351 357 3594 364 351 346 353 3545 362 349 361 354 3626 366 356 363 363 3617 357 366 360 364 3668 368 363 363 374 374

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Recuperações de100% foram consideradas para as medidas de absorvância obtidas com as soluções-padrão não submetidas às etapas de digestão e destilação. Foram realizadas 3 replicatas de cada determinação. Todas as recuperações obtidas variaram de 100 a 110 %, indicando que não há perdas de NH3 durante as etapas de digestão e destilação.

4.3. ESTUDO DA INFLUÊNCIA DO Se NA DETERMINAÇÃO DE NKT

Os resultados de NKT obtidos pelo método micro Kjeldahl, adicionando-se ou não o catalisador Se na etapa de digestão das amostras, não apresentaram diferença significativa, quando foi aplicado o teste t-pareado, para um nível de confiança de 95%. Esse resultado indica que as determinações podem ser realizadas sem a adição do catalisador Se, contribuindo, assim, para a diminuição da geração de resíduos tóxicos no laboratório. Também, considerando os resultados do teste F, pode-se afirmar que ambos os procedimentos são igualmente precisos (Tabela 4).

4.4. DETERMINAÇÃO DE N TOTAL PELO PROCEDIMENTO DE KJELDAHL Os resultados de NKT (Tabela 4) obtidos na presença e ausência do catalisador de Se não apresentaram diferença significativa para um nível de confiança de 95%. Também, os resultados de NKT das amostras certificadas NCS DC 73319, 73321 e 73326 não apresentaram diferença significativa dos valores certificados de Ntotal. O método utilizado apresentou boa precisão (RSD < 8%).

Tabela 3. Recuperação de NH3 de soluções-padrão de NH4Cl após as etapas dedigestão e destilação pelo método NKT (n=3)Concentração de N-NH4

+ Medidas de absorvância* Recuperação de N-NH4+(%)

(mg L-1) na solução final SDI e SDE CDE CDE e CDI CDE CDE e CDI0,1 0,15 + 0,01 0,16 + 0,02 0,16 + 0,04 110 1080,2 0,32 + 0,01 0,32 + 0,02 0,33 + 0,01 102 1050,4 0,62 + 0,02 0,62 + 0,02 0,62 + 0,02 100 1000,5 0,78 + 0,01 0,80 + 0,01 0,81 + 0,02 102 103

*As medidas de absorvância foram subtraídas das absorvâncias das soluções-brancoSDI- sem digestão CDI-com digestãoSDE sem destilação CDE- com destilação

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5. CONCLUSÕES • Apesar da temperatura de digestão variar + 28°C, não ultrapassou a temperatura limite de 400°C, evitando assim, perda de nitrogênio. • Os sistemas de digestão e de destilação da Tecnal são adequados para a determinação de nitrogênio, apresentando boa precisão (RSD < 8%). • As determinações de NKT nas amostras de rocha petrolífera podem ser realizadas sem adição de Se, um elemento tóxico ao meio ambiente. • As amostras de rocha petrolífera 7 e 9 apresentaram concentrações de Ntotal determinadas pelo método Kjeldahl, de 647 e 179 µg g–1, respectivamente.

BIBLIOGRAFIA

Bremner J.M. (1965). Total Nitrogen. Methods of soil analysis Part 2- Chemical and Microbiological Properties, number 9 in the series Agronomy, American Society of Agronomy, Inc., Publisher USA, p. 1149-1178.

FEEMA (1983). Nitrogênio Kjeldahl total (micro Kjeldahl). Manual do Meio Ambiente Volume II – Métodos FEEMA, R.J., MF 421.R2, p.45.

Keeney D.R., Bremner J.M. (1967). Use of the Coleman model 29 A analyser for total nitrogen analysis of soils. Soil Science, 104 (5), 358-363.

Van Standen J.F., Taljaard R.E. (1997). Determination of ammonia in water and industrial effluent streams with the indophenol blue method using sequential injection analysis. Analytica Chimica Acta, 344, 281-289.

Yasuhara T., Nokihara K. (2001). High-throughput analysis of total nitrogen content that replaces the classic Kjeldahl method. Journal of agricultural and food chemistry, 49, 4581-4583.

Tabela 4.Concentração de NKT determinado pelo método microKjeldahl, em µg g-1, com seus respectivos desvios-padrão

Amostra Concentração de NKT* Valor certificado Sem selênio Com selênio de Ntotal

7 647 + 13 (5) 670 + 13 (5)9 179 + 10 (4) 156 + 14 (3)

73319 1846 + 17 (3) n.d. 1870 + 5473321 626 + 21 (4) 629 + 24 (4) 640 + 4073326 400 + 32 (8) n.d. 370 + 43

Os valores entre parênteses se referem ao no de determinações

n.d. - não determinado* < 150 mesh