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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO - USP
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - EEL
ALAN FRANCISCO MENDES
APLICAÇÃO DE METODOLOGIAS ANALÍTICAS PARA CARACTERIZAÇÃO
DE ÁGUA DE RIO
Orientador: Prof. Dr. Hélcio José Izário Filho
Lorena
2012
1
ALAN FRANCISCO MENDES
APLICAÇÃO DE METODOLOGIAS ANALÍTICAS PARA CARACTERIZAÇÃO
DE ÁGUA DE RIO
Monografia apresentada à Escola
de Engenharia de Lorena EEL–
USP como requisito parcial para a
conclusão de Graduação do curso
de Engenharia Industrial Química.
Orientador: Hélcio José Izário Filho.
Lorena
2012
2
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, por ter me dado dom da vida e a força
para buscar meus objetivos, a minha família pelo apoio nos momentos difíceis,
em especial a minha mãe Laís, agradeço a todos os amigos pelo carinho e
companheirismo depositado nesses anos de convivência, aos alunos e técnicos
do laboratório de meio ambiente da EEL-USP pela valiosa ajuda durante a
execução desse trabalho e ao Professor orientador Dr. Hélcio José Izário Filho
fonte de admiração e respeito e que por anos me acompanha nessa caminhada.
3
RESUMO
O presente trabalho aborda a importância da questão ambiental e da
sustentabilidade, com foco na gestão dos recursos hídricos. Portanto, com base
nos parâmetros da resolução do CONAMA nº357/2005 de DBO5,20, pH, turbidez,
Chumbo e Mercúrio foram realizadas análises das características das águas do
Rio Paraíba do Sul. Em função do número expressivo dos parâmetros da
legislação, selecionou-se dentre eles alguns que abrangeriam de uma forma
geral, a carga orgânica e inorgânica, sendo essa última avaliando dois metais
pesados de alta toxicidade. Onde pode ser observado, a partir dos resultados das
análises, as boas condições das águas do Rio Paraíba do Sul para os
parâmetros e local estudado, com exceção ao Hg pontualmente. Desta forma,
pela determinação de alguns parâmetros físicos e químicos da água, pode-se
avaliar a qualidade da água do ponto de vista de fontes exógenas de
contaminantes.
Palavra chave: Águas, Efluentes, Absorção Atômica e Metais Pesados.
4
ABSTRACT
This paper discusses the importance of environmental issues and sustainability,
with a focus on water resources management. Therefore, based on the
parameters of the CONAMA resolution No. 357/2005 of BOD5, 20, pH, turbidity,
Lead and Mercury were conducted analyzes of the characteristics of the waters of
the Rio Paraiba do Sul. Due to the large number of parameters, we selected some
that would comprise in general, organic and inorganic load, the latter being
assessed by the presence of two toxic heavy metals. Where can be seen from the
results of the analyzes, the good condition of the waters of the Rio Paraiba do Sul
for the parameters studied and location, except to occasionally Mercury. Thus, by
the determination of some physical and chemical parameters of the water, one can
evaluate the quality of water in terms of exogenous sources of contaminants.
Keyword: Water, Wastewater, and Atomic Absorption Heavy Metals.
5
Lista de Figuras
Figura 1: Relação DQO/DBO e potencial de biodegradação...........................24
Figura 2: Luz branca no prisma.........................................................................25
Figura 3: Espectro eletromagnético ..................................................................25
Figura 4: Esquematização básica de um Espectrofotômetro.............................30
Figura 5: Esquematização básica de Espectrômetro de Absorção Atômica ...32
Figura 6: Esquematização de um forno de grafite ...........................................35
Figura 7: Foto de Satélite dos pontos de Amostragem.....................................39
Figura 8: Foto de Satélite do ponto 1 de Amostragem ....................................39
Figura 9: Região próxima a “3º ponte” de Cruzeiro – SP.................................40
Figura 10: Foto de Satélite do ponto 2 de Amostragem ..................................40
Figura 11: Região da Vila Maria, Cruzeiro-SP.................................................41
Figura 12: Espectrômetro de Absorção Atômica..............................................42
Figura 13: Turbidímetro TB1000 ......................................................................43
Figura 14: Espectrofotômetro ..........................................................................44
Figura 15: Medidor de pH. ...............................................................................44
Figura 16: Termo reator....................................................................................45
Figura 17: Incubadora para DBO......................................................................46
Figura 18: Balança Analítica.............................................................................47
Figura 19: Frascos de DQO..............................................................................51
Figura 20: Posições das cubetas no espectrofotômetro ..................................52
6
Figura 21: Curva de Calibração de DQO..........................................................65
Figura 22: Perfil de variação de DQO...............................................................66
Figura 23 : Perfil de variação de Turbidez........................................................67
Figura 24: Perfil de variação de pH..................................................................68
7
Listas de Tabelas
Tabela 1: Valores Máximos Permitidos (CONAMA nº357/2005) para análises........................................................................................................18
Tabela 2: O Espectro Visível.............................................................................26
Tabela 3: Volumes para preparação de frascos de DQO, curva de
calibração...............................................................................................................50
Tabela 4: Condições experimentais para determinação de chumbo em amostra de
Rio por espectrometria de absorção atômica com atomização por forno de
grafite.....................................................................................................................55
Tabela 5: Condições Analíticas para a determinação da concentração do mercúrio
via EAA-FG........................................................................................................... 56
Tabela 6: Programação do forno de grafite HGA para a determinação do Pb e Hg
nas amostras de água do Rio Paraíba do Sul..............................................56
Tabela 7: Concentração dopada na amostra de água de rio para o teste de
recuperação.......................................................................................................58
Tabela 8: Concentração versus absorvâncias da curva analítica de DQO.......65
Tabela 9: Resultados de DQO..........................................................................66
Tabela 10: Valores de Turbidez.......................................................................67
Tabela 11: Valores de pH..................................................................................68
Tabela 12: Depleção do Branco........................................................................69
Tabela 13: Depleção do Seed...........................................................................70
Tabela 14: Padronização do Tiossulfato 0,025 eq/L.........................................71
Tabela 15: Valores de Oxigênio Dissolvido Inicial nas amostras de DBO........71
Tabela 16: Valores das Análises de DBO.........................................................71
Tabela 17: Figuras de mérito para validação dos métodos espectrométricos por
absorção atômica com atomização eletrotérmica para a quantificação dos
elementos Hg e Pb em águas superficiais.........................................................72
8
Tabela 18: Resultados das análises de teor de Hg...........................................73
Tabela 19: Resultados das Análises de teor de Pb..........................................73
9
SUMÁRIO
1- INTRODUÇÃO ................................................................................................... 12
1.2 - Rio Paraíba do Sul ...................................................................................... 13
2- OBJETIVOS ....................................................................................................... 14
2.1- Objetivo Geral .............................................................................................. 14
2.2- Objetivos Específicos .................................................................................. 14
3- ABRANGÊNCIAS DO TRABALHO .................................................................... 15
4 - REVISÃO DA LITERATURA ............................................................................. 15
4.1-Legislação Ambiental .................................................................................... 15
4.1.2 - Classificação do Rio Paraíba do Sul ................................................... 16
4.2-Parâmetro Potencial de Hidrogênio (pH) ...................................................... 18
4.3-Parâmetro Turbidez ...................................................................................... 19
4.4- Parâmetro Demanda Bioquímica de Oxigênio ............................................. 20
4.5 - Parâmetro Demanda Química de Oxigênio................................................. 22
4.6 - Análise Espectrofotométrica UV/Visível ...................................................... 24
4.6.2 Absorciômetro e Espectrofotômetro ....................................................... 29
4.7- Metais Pesados ........................................................................................... 30
4.8-Espectrometria de Absorção Atômica ........................................................... 31
4.8.1- Funcionamento de um Espectrômetro de Absorção Atômica .................... 32
4.8.2 – Atomizador eletrotérmico: Forno de Grafite ......................................... 34
4.8.3- Procedimentos Preliminares para Espectrometria de Absorção Atômica .. 37
4.8.4 - Técnicas para Preparação de Amostras .............................................. 37
5- PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ........................................................... 38
5.1- Habilitações para Coleta .............................................................................. 38
5.2 - Preservação das Amostras ......................................................................... 38
5.3 - Pontos de Amostragem .............................................................................. 38
5.4- Equipamentos .............................................................................................. 41
10
6 – METODOLOGIAS ANALÍTICAS ....................................................................... 47
6.1 - Leitura do Potencial de Hidrogênio ............................................................. 47
6.2 - Leitura da Turbidez ..................................................................................... 47
6.3.1 - Preparação da Solução de Sulfato Ácido de Prata 0,67% m/v ............. 48
6.3.2 - Preparação do Padrão de Biftalato de Potássio ~160 mg/L ................. 48
6.3.3- Preparação da Solução de Dicromato de Potássio 0,1 eq.L-1 ................ 49
6.3.4 - Procedimentos para Obtenção de Curva Analítica de DQO ................. 49
6.4- Análises por Espectrometria de Absorção Atômica...................................... 54
6.4.1- Análise do Teor de Pb ........................................................................... 54
6.4.2 Análise do Teor de Hg ............................................................................ 55
6.4.2.1 - Preparação da Solução de Ditisona 100 mg/L ................................... 56
6.4.2.2 - Preparação da Solução de Ditisona 6 mg/L....................................... 57
6.4.2.3 - Procedimento de Digestão e Pré- Concentração de Hg .................... 57
6.4.2.4- Validação da metodologia espectrométrica via atomização por forno de
grafite .............................................................................................................. 58
6.5-Análise de DBO5,20ºC...........................................................................................57
6.5.1 - Aferição da solução padrão de Na2S2O3 0,025 mol /L .......................... 59
6.5.2 - Preparação e condicionamento da água de diluição ............................ 59
6.5.3 - Preparação da solução contendo os nutrientes .................................... 60
6.5.4 - Preparação da solução SEED .............................................................. 60
6.5.5 - Procedimento para incubar o “branco” ................................................. 60
6.5.6 - Procedimento para incubar o “seed” .................................................... 61
6.5.7 - Procedimento para amostras com concentrações de OD abaixo de 5 mg/L 61
6.5.8 - Determinação de oxigênio dissolvido (OD) ........................................... 62
7 – CUIDADOS OPERACIONAIS NA AMOSTRAGEM .......................................... 63
8 – RESULTADOS ANALÍTICOS ........................................................................... 64
8.1.2 - Resultados da DQO das Amostras ....................................................... 65
8.2 – Turbidez ..................................................................................................... 66
8.3 - Potencial de Hidrogênio (pH) ...................................................................... 68
11
8.4 - Demanda Bioquímica de Oxigênio .............................................................. 69
8.5.2 - Teor de Mercúrio ..................................................................................... 73
8.5.3 - Teor de Chumbo ...................................................................................... 73
9- CONCLUSÕES .............................................................................................. 74
REFERÊNCIAS..........................................................................................................75
12
1- INTRODUÇÃO
Água é um recurso mineral dos mais valiosos da humanidade. Apesar de
dois terço da superfície da Terra serem recobertos por água, apenas 3% desse
total constitui-se em água potável para o consumo humano (VON SPERLING,
2007). Portanto, a conservação de rios, lagos e lençóis freáticos passaram a ser
cada vez mais discutida, seja pela sociedade, meio científico e industrial,
segmentos políticos com abrangência estadual e federal.
Nesse contexto, a sustentabilidade do uso dos recursos hídricos esta
sendo vista, cada vez mais, como questão estratégica de uma nação
(SUNDFELD, 2004).
No Brasil, existem vários órgãos federais e estatais que fiscalizam,
determinam regras e regulam o uso das águas. Dentre eles podemos citar:
- Conselho Nacional de Meio Ambiente (CONAMA).
- Agência Nacional de Águas (ANA).
- Departamento de Águas e Energia Elétrica (DAEE): Estado de São Paulo.
O que indica a preocupação, não só da sociedade como também dos
governos, quanto à conservação dos recursos hídricos.
A caracterização da qualidade das águas de um rio está intimamente ligada
à região onde a bacia hidrográfica desse corpo de água atravessa. Ou seja, se a
nascente de um rio se localiza em uma região de mata preservada ou em
localidades onde se prioriza a sustentabilidade, as regiões logo depois da
nascente terão águas de boa qualidade. No entanto, suponhamos agora que
conforme esse rio hipotético comece atravessar grandes centros urbanos, nos
quais seus efluentes domésticos são lançados sem o devido tratamento, é certo
que as cidades localizadas logo após esses centros urbanos sofrerão com a má
qualidade das águas. Pois tanto para utilização industrial quanto para
potabilidade, será necessário um grande investimento para tratar essa água,
independentemente se foi a própria cidade ou as outras antes dela que poluíram o
rio em questão.
13
Portanto, é de vital importância que cada cidade, estado e país utilizem de
maneira sustentável e conservem seus rios, pois muitos deles transcendem suas
fronteiras (VICENTE, 2012).
Entretanto, não há como gerir algo sem conhecer o que se pretende
administrar. Para isso órgãos competentes criam parâmetros de qualidade para
serem obedecidos e comparados. Definir parâmetros que evitem a degradação da
vida aquática e dos recursos hídricos é uma das atribuições do CONAMA.
Em vista disto, existe a resolução CONAMA nº357/2005 que dispõe sobre
a classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais para o seu
enquadramento, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de
efluentes, e dá outras providências. Portanto, essa resolução é base para o
controle de qualidade das águas de rios, no Brasil, e desta forma é a legislação
mais adequada como base comparativa para um trabalho de avaliação de água
de rios.
1.2 - Rio Paraíba do Sul
Uma das cidades que o Rio Paraíba do Sul atravessa é a cidade de
Cruzeiro-SP, sendo uma das últimas cidades da Bacia Hidrográfica desse rio no
Estado de São Paulo, ou seja, encontra-se após centros urbanos de grande e
médio porte como, por exemplo, São José dos Campos, Jacareí, Taubaté etc.
Porém, exceto alguma atividade industrial, a cidade de Cruzeiro pouco utiliza essa
fonte hídrica para consumo e, portanto, pouco se sabe sobre as características
dessas águas nessa cidade.
Por esse motivo o trecho dessa cidade foi o local escolhido para esse
estudo, utilizando como base alguns parâmetros da resolução CONAMA
nº357/2005.
E se tratando de um rio federal, no qual suas águas têm usos
diversificados, tais como: na agropecuária, nas indústrias, geração de energia e
abastecimento de água potável; por várias cidades e em estados diferentes
(Estados de São Paulo, Minas Gerais e Rio de Janeiro), os resultados deste
14
trabalho, mesmo que pontual, podem ser utilizados como parâmetros para uma
avaliação analítica da qualidade da água do Rio Paraíba do Sul, haja visto existir
uma atividade industrial em número expressivos em cidades anteriores, além da
atividade agrícola.
2- OBJETIVOS
2.1- Objetivo Geral
Aplicação de técnicas analíticas para caracterização de alguns parâmetros
que fiscalizam as águas de rios e efluentes, utilizando-se como base a Resolução
do CONAMA nº357/2005, para uma avaliação analítica geral na qualidade da
água do Rio Paraíba do Sul.
2.2- Objetivos Específicos
- Aplicações de metodologias que envolvem degradação microbiológica, com
medida do consumo de oxigênio via titrimetria por tiossulfatometria, na
quantificação de DBO5,20ºC.
- Aplicação da Espectrofotometria na região do visível na determinação da
concentração em termos de DQO;
- Aplicação de medidas físicas diretas como pH (potenciômetro e eletrodo) e
turbidez (turbidímetro nefelométrico);
- Aplicação da Técnica de Espectrometria de Absorção Atômica para
determinação dos níveis de dois metais pesados de alta toxicidade em amostras
de águas de rios;
- Levantamento de instrumentação e recursos envolvidos nessas análises;
15
- Incorporar os conceitos de recursos naturais ambientais, aliada a sua avaliação
e controle à formação profissional.
3- ABRANGÊNCIAS DO TRABALHO
Pelo fato da resolução CONAMA n° 357/2005 possuir muitos parâmetros
específicos, foram selecionados alguns parâmetros com características físicas e
químicas abrangentes, devido a dificuldades instrumentais e custos. Mas, que de
certa forma, os resultados analíticos possibilitaram uma avaliação crítica se
alguma fonte exógena de contaminação poderia estar inferindo na qualidade da
água do Rio Paraíba do Sul no trecho analisado.
4 - REVISÃO DA LITERATURA
4.1-Legislação Ambiental
Um causador em potencial de riscos ao meio ambiente e a saúde pública é
o despejo de esgotos não tratados em rios, pois eles prejudicam a utilização e a
manutenção dos recursos hídricos envolvidos (ANDREOLI; SPERLING;
FERNANDES, 2001).
Em vista deste problema, o Conselho Nacional de Meio Ambiente, que é
uma instituição federal ligada ao Ministério do Meio Ambiente, no qual uma de
suas competências é “estabelecer normas, critérios e padrões relativos ao
controle e à manutenção da qualidade do meio ambiente, com vistas ao uso
racional dos recursos ambientais, principalmente os hídricos”; possui várias
resoluções (CONAMA, 2012). Uma delas é a resolução CONAMA nº357/2005,
que fornece parâmetros para a classificação dos corpos de água e diretrizes
ambientais para o seu enquadramento.
16
Nesse contexto, municípios e principalmente indústrias, para lançarem
seus efluentes em corpos de água, procuram se adequar ao que dispõe a
resolução do CONAMA nº357/2005. Dentre os vários parâmetros, nessa
resolução, os que foram abordados neste trabalho são: DBO5,20°C, pH, Turbidez,
Chumbo e Mercúrio. Sendo que a DQO apesar de não ser citada na resolução em
questão, é considerado um parâmetro de qualidade pela CETESB, esse
parâmetro é extremamente prático e significativo para caracterização de amostras
de águas de rio, pela medida indireta da concentração da carga orgânica
expressa em oxigênio, além de ser um parâmetro para os cálculos preliminares à
análise da DBO5,20°C.
4.1.2 - Classificação do Rio Paraíba do Sul
Na Resolução CONAMA nº357/2005, os corpos d’água possuem uma
classificação para se definir seus usos. Para rios de água doce, que é o foco
desse trabalho, a classificação é:
Classe especial:
a) ao abastecimento para consumo humano, com desinfecção;
b) à preservação do equilíbrio natural das comunidades aquáticas;
c) à preservação dos ambientes aquáticos em unidades de conservação de
proteção integral.
Classe I:
a) ao abastecimento para consumo humano, após tratamento simplificado;
b) à proteção das comunidades aquáticas;
c) à recreação de contato primário, tais como natação, esqui aquático e mergulho;
d) à irrigação de hortaliças que são consumidas cruas e de frutas que se
desenvolvam rentes ao solo e que sejam ingeridas cruas sem remoção de
película;
17
e) à proteção das comunidades aquáticas em terras Indígenas.
Classe II:
a) ao abastecimento para consumo humano, após tratamento convencional;
b) à proteção das comunidades aquáticas;
c) à recreação de contato primário, tais como natação, esqui aquático e mergulho;
d) à irrigação de hortaliças, plantas frutíferas e de parques, jardins, campos de
esporte e lazer, com os quais o público possa vir a ter contato direto;
e) à aquicultura e à atividade de pesca.
Classe III:
a) ao abastecimento para consumo humano, após tratamento convencional ou
avançado;
b) à irrigação de culturas arbóreas, cerealíferas e forrageiras;
c) à pesca amadora;
d) à recreação de contato secundário;
e) à dessedentação de animais.
Classe IV:
a) à navegação;
b) à harmonia paisagística.
Onde de acordo com Agência Nacional de Águas (2009), o Rio Paraíba do
Sul enquadra-se nas seguintes classes:
CLASSE I - RIO PARAÍBA DO SUL, das cabeceiras até a barragem de Santa
Branca - SP.
CLASSE II - RIO PARAÍBA DO SUL, da barragem de Santa Branca - SP até a
cidade de Campos-RJ.
18
CLASSE III - RIO PARAÍBA DO SUL, da cidade de Campos-RJ até sua foz.
Portanto, a região amostrada nesse trabalho, o Rio Paraíba do Sul é
considerado de CLASSE II, e para essa classificação na Resolução CONAMA
nº357/2005 os valores máximos permitidos (VMP) para os parâmetros abordados
são (Tabela 1):
Tabela 1: Valores Máximos Permitidos (CONAMA nº357/2005) para análises em estudo.
Parâmetro Unidade VMP
DBO5,20ºC mg/L O2 5
Turbidez UNT <100
pH - 5 a 9
Chumbo mg/L Pb 0,01
Mercúrio mg/L Hg 0,0002
4.2-Parâmetro Potencial de Hidrogênio (pH)
Os ecossistemas aquáticos são extremamente sensíveis a mudanças
bruscas de pH (Potencial de Hidrogênio), o que leva tanto a legislação federal
CONAMA nº357/2005, quanto legislação do Estado de São Paulo Decreto
8.468/1976-Art.18, a usar os mesmos critérios para definir a faixa de pH ótima
em corpos de água, pH entre 5 e 9 (CETESB, 2009), protegendo assim a vida
aquática.
Dentre os fatores que determinam importância do pH em corpos de água,
podemos citar (CETESB, 2009):
- A influência sobre a fisiologia de diversas espécies aquáticas;
- Em determinadas condições contribui para a precipitação de elementos como
metais pesados;
- Exerce efeitos sobre as solubilidades de nutrientes.
19
4.3-Parâmetro Turbidez
A Agência Nacional de Águas (ANA) utiliza a turbidez como um dos
parâmetros que compõe o Índice de Qualidade das Águas (IQA). A análise da
turbidez mostra o nível de atenuação que um feixe de luz sofre ao atravessar uma
amostra de água, definindo assim a presença de sólidos em suspensão, tais
como partículas inorgânicas e/ou orgânicas (ANA, 2009).
Sólidos em suspensão de origem natural como rochas, argilas, algas,
podem servir de abrigo para microrganismos patogênicos, diminuindo a eficiência
dos processos de desinfecção de águas. Já os de origens antropogênicas, podem
estar associados a compostos tóxicos e organismos patogênicos (VON
SPERLING, 2005).
Um valor elevado de turbidez em águas pode indicar a presença de erosão
das margens dos rios (ANA, 2009), que é agravada pelo mau uso do solo e
desmatamento da mata ciliar. Os esgotos domésticos e diversos efluentes
industriais (principalmente orgânicos) também provocam elevações na turbidez
das águas (CETESB, 2009). Valores excessivos de turbidez são seguidos pela
redução da fotossíntese de vegetação submersa e algas. Esse desenvolvimento
reduzido de plantas pode causar uma diminuição drástica da população de
peixes. Além disso, afeta significativamente os usos doméstico e industrial de
uma água (CETESB, 2009).
4.3.1 - Turbidímetro Nefelométrico
O aparelho utilizado para a leitura desse parâmetro é o turbidímetro. Esse
instrumento de medição possui internamente um nefelômetro formado por uma
fonte de luz para iluminar uma amostra e um detector fotoelétrico para indicar a
intensidade de luz espalhada em ângulo reto ao caminho de luz incidente
(MACEDO, 2001). A medição em ângulo de 90° serve para diferenciar a turbidez
da absorção de uma amostra. Sendo a turbidez expressa em unidades
nefelométricas de turbidez (UNT).
20
A metodologia nefelométrica consiste na comparação da intensidade de luz
espalhada pela amostra de água, em condições definidas, com a intensidade de
luz espalhadas por suspensões consideradas padrão. Quanto maior a intensidade
de luz espalhada maior será a turbidez da amostra (MACEDO, 2001).
O polímero de formazina é usado como padrão de referência, sendo de
fácil preparação e é o mais reprodutível em suas propriedades de dispersão da
luz, ao compararmos com as do barro ou da água natural turva (APHA, AWWA e
WEF, 1998).
A turbidez de um meio de concentração de suspensão de formazina igual a
40 UNT, quando lida em um “tubidímetro de vela” terá valor aproximado de 40
unidades Jackson. Portanto, as unidades de turbidez nefelométrica, basedas na
preparação de formazina, irão se aproximar das unidades derivadas do
turbidímetro de vela, mas não serão idênticas (APHA, AWWA e WEF, 1998).
A turbidez pode ser determinada para qualquer amostra de água, desde
que seja livre de detritos e de sedimentação de partículas grossas. Frascos sujos,
presença de bolhas de ar, e os efeitos de vibrações que perturbem a visibilidade
da superfície da amostra irão levar falsos resultados.
A "Cor verdadeira", isto é, a cor da água devido às substâncias dissolvidas
que absorvem a luz, também interfere na medida de turbidez. Este efeito
normalmente não é significativo, no caso de água tratada (APHA, AWWA e WEF,
1998).
4.4- Parâmetro Demanda Bioquímica de Oxigênio
A Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) é considerada um dos
parâmetros mais significativos para se avaliar a qualidade de águas (LIMA;
IZÁRIO; CHAVES, 2006). Pois a DBO quantifica o oxigênio necessário para
oxidar a matéria orgânica, contida em uma amostra, por decomposição
microbiana em um processo aeróbico, transformando essa carga orgânica em
material inorgânico e estável (CETESB, 2009). Ou seja, uma amostra com valor
de DBO elevado indica grande quantidade de material orgânico,
consequentemente, causadora de um esgotamento de oxigênio, dando a essa
21
água características anaeróbicas. Indicando que o local onde essa amostra foi
coletada está sofrendo ou irá causar um impacto ambiental que prejudica o
equilíbrio do ecossistema aquático.
De acordo com Gray (2004), ao contrário do que acontece em uma estação
de tratamento de águas residuais ou em um rio, que são ecossistemas abertos,
os frascos para determinação da DBO5,20°C são ecossistemas microbianos
fechados e desprovidos de influências externas, tais como luz, agitação, adição
de nutrientes e outros fatores que afetam o balanço de oxigênio. O teste é feito
sob condições controladas, no escuro a 20 °C em um período de 5 dias. E se
relacionarmos o consumo de oxigênio contra o tempo, gera-se uma curva de DBO
característica para dada amostra.
4.4.1 Determinação de Oxigênio Dissolvido
Dois métodos para determinação de oxigênio dissolvido descritos pelo
Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, AWWA e
WEF, 1998) são: o Método eletrodo de membrana e o Winkler ou método
Iodométrico e suas modificações.
A escolha pelo procedimento mais indicado depende das interferências, a
precisão desejada, e, em alguns casos, conveniência ou disponibilidade
instrumental (APHA, AWWA e WEF, 1998).
Método Eletrodo de Membrana: dentre as metodologias para análises
quantitativas de oxigênio dissolvido em águas, incluindo as em tempo real, um
método considerado padrão é o método chamado de eletrodo de membrana ou
eletrométrico (APHA, AWWA e WEF, 1998). Esse método é baseado na célula de
Clark, onde uma membrana permeável ao oxigênio separa o eletrólito interno e os
eletrodos (anodo e catodo) do meio externo, na condição de polarização do
catodo e do anodo, a concentração de oxigênio será proporcional à corrente entre
os eletrodos. Eletrodos de Clark tem um bom desempenho na maioria das
situações, porém possui algumas limitações como o consumo de oxigênio, tempo
relativamente longo de resposta e tendência do eletrodo ser atacado por
proteínas, sulfeto de hidrogênio e compostos orgânicos (FERREIRA, 2007).
22
Método Químico: o mais conhecido e considerado padrão para amostras
de águas é o Método de Winkler modificado pela azida sódica. A modificação de
azida sódica é uma forma eficaz que remove a interferência causada por nitrito,
que é a interferência mais comum em efluentes biologicamente tratados e em
amostras incubadas de DBO (APHA, AWWA e WEF, 1998). Porém, há o
inconveniente de que em amostras com concentrações menores que 10% da
saturação os resultados encontrados são imprecisos e em águas contaminadas
por despejos industriais esse método é sujeito a sérios problemas devido às
várias substâncias interferentes (FERREIRA, 2007). Essa metodologia exige que
a amostra seja coletada no local, segundo normas padronizadas, que especificam
desde sua coleta, armazenagem e transporte como as citadas no manual técnico
para coleta de amostras de água (MINISTÉRIO PÚBLICO DE SANTA
CATARINA, 2009).
Além dos métodos baseados no eletrodo de membrana e químicos,
podemos citar outros dois métodos:
Método Manométrico: baseia-se em uma medida de pressão ou volume
realizada em uma câmara apropriada, exigindo uma aparelhagem cara e
complexa. Portanto, esse método é utilizado em ocasiões onde ele seja o mais
apropriado entre as outras metodologias (FERREIRA, 2007).
Método Ótico: inclui os métodos espectrofotométricos, para determinação
de oxigênio dissolvido por meio de substâncias que reagem com a amostra
causando alguma alteração na absorbância, na fluorescência ou na cor. O
método espectrofotométrico pode ser combinado com o método Winkler
modificado para análises de amostras com baixo teores de oxigênio dissolvido
(FERREIRA, 2007).
4.5 - Parâmetro Demanda Química de Oxigênio
Outro parâmetro significativo nos estudos de caracterização de águas e
efluentes é a Demanda Química de Oxigênio (DQO). A DQO é muito utilizada
como uma análise preliminar das amostras na análise de DBO5,20°C.
23
Pelo fato do valor da concentração da DQO ser superior, comparado ao da
DBO, e o resultado pode ser obtido no mesmo dia da coleta, essa variável pode
ser aplicada para se estimar as diluições para a análise da DBO5,20°C, de uma
mesma amostra. A DBO5,20°C mede apenas a fração biodegradável,
consequentemente, quanto mais este valor se aproximar do resultado da análise
de DQO, significa que mais biodegradável será o efluente ou poluente contido na
amostra de água de rio.
O aumento da concentração de DQO em um corpo d’água deve-se
principalmente a despejos de origem industrial (CETESB, 2009).
Esse parâmetro consiste na utilização de um agente químico oxidante,
geralmente dicromato, para quantificar o oxigênio necessário para oxidação da
matéria orgânica de uma amostra. Nesse processo a substância oxidante tem sua
quantidade medida antes e depois do contato com o material em estudo, e
revelam o poder demandador de oxigênio do mesmo (ZUCCARI; GRANER;
LEOPOLDO, 2005).
O poder de oxidação do dicromato de potássio é maior do que a oxidação
resultante da ação de microrganismos, exceto raríssimos casos como
hidrocarbonetos aromáticos e piridina (CETESB, 2009).
Por causa das suas propriedades químicas únicas, o íon dicromato (Cr2O72-
é o oxidante especificado para esse método, sendo reduzido para crômico (Cr3+)
nestes testes. Um fato vantajoso da análise de DQO é que os componentes
orgânicos e inorgânicos estão sujeitos à oxidação, enquanto que a DBO5,20°C
indica apenas a fração dos componentes orgânicos contidos em uma amostra .
A extensão da oxidação da amostra pode ser afetada por tempo de
digestão, a força do reagente, e a concentração de DQO (APHA, AWWA e WEF,
1998).
Segundo ZUCCARI, GRANER e LEOPOLDO (2005), os fatores que tornam
o dicromato como agente oxidante mais qualificado para essa análise, são:
- Na forma de sal de potássio é uma substância estável, tanto no estado sólido
quanto em soluções;
- Custo relativamente baixo;
24
- Maior poder oxidante, em relação aos agentes redutores que demandam
oxigênio em águas;
- A determinação do seu excesso pode ser feita por métodos clássicos da química
analítica.
De acordo com CETESB (2009) a análise da DQO é muito eficiente no
controle de sistemas de tratamentos anaeróbios de esgotos sanitários e de
efluentes industriais, pois os resultados podem ser obtidos no mesmo dia da
coleta e as medidas para correção do processo podem ser tomadas com maior
rapidez. Portanto, a DBO5,20°C nestes casos tem sido utilizada apenas como
parâmetro secundário, visando a verificação do atendimento à legislação, uma
vez que tanto a legislação federal quanto a do Estado de São Paulo não incluem
a DQO.
Já existem estudos que relacionam os valores de DQO e DBO, como
parâmetro de qualidade e indicativo de quanto biodegradável é a amostra em
estudo. Segundo Jardim e Canela (2004) uma amostra altamente biodegradável
apresentará DQO/DBO>2,5, se a relação for 5<DQO/DBO>2,5 a amostra é
passível de sofrer biodegradação. Agora se a relação for DQO/DBO>5 amostra
não é biodegradável (Figura 1).
Figura 1: relação DQO/DBO e potêncial de biodegradação. (Disponível em: JARDIM e CANELA,
2004).
25
4.6 - Análise Espectrofotométrica UV/Visível
Quando um feixe de luz branca (policromática) incide sobre um prisma,
ocorre uma separação da luz em diferentes faixas com cores, correspondente a
determinados comprimentos de onda (CIENFUEGOS; VAITSMAN, 2000), Figura
2.
Figura 2: luz branca no prisma.
Sendo a luz visível uma parcela que compõe o espectro eletromagnético,
Figura 3.
Figura 3: Espectro eletromagnético (Disponível em: VOGEL, 2002).
26
Segundo SKOOG, et al, (2006) uma solução de Fe(SCN)2+ tem coloração
vermelha não porque o complexo adiciona radiação vermelha ao solvente, mas
porque absorve o verde da radiação branca incidente no frasco e transmite o
componente vermelho. Assim, por exemplo, na determinação colorimétrica de
ferro baseada no seu complexo com tiocianato, será com a radiação verde o
máximo de variação na absorbância com a concentração, sendo desprezível a
variação da absorbância com a radiação vermelha. A Tabela 2 lista as cores
complementares do espectro visível.
Tabela 2: O Espectro Visível (Adaptado de: SKOOG, et al, 2006).
Região de Comprimento Cor da Luz Cor Complementar
de onda Absorvida (nm) Absorvida Transmitida
400-435 Violeta Amarelo-esverdeado
435-480 Azul Amarelo
480-490 Azul- esverdeado Laranja
490-500 Verde-azulado Vermelho
500-560 Verde Púrpura
560-580 Amarelo-esverdeado Violeta
580-595 Amarelo Azul
595-650 Laranja Azul- esverdeado
650-750 Vermelho Verde-azulado
4.6.1- Lei de Beer- Lambert
De uma forma generalizada, podemos dizer que as metodologias
espectrofotométricas são processos de medida quantitativa, que emprega as
propriedades dos átomos e moléculas de absorver e/ou emitir energia
eletromagnética em uma região do espectro eletromagnético (CIENFUEGOS;
VAITSMAN, 2000).
A porção do espectro eletromagnético compreendida entre 380 e 780 nm é
denominada região visível, pois nessa faixa, esse espectro causa excitação da
retina humana (CIENFUEGOS; VAITSMAN, 2000). Sendo que a região
ultravioleta do espectro é considerada na faixa de 185 a 400 nm (VOGEL, 1992).
27
Na espectrofotometria, uma amostra é estimulada aplicando-se energia na
forma de luz. Antes de se aplicar o estímulo, o analito se encontra, em sua
maioria, em seu estado fundamental, que consiste no seu estado de energia mais
baixo. O estímulo então faz com que algumas das espécies do analito sofram
uma transição para um estado de maior energia, chamado estado de excitação.
Assim, medindo-se a radiação eletromagnética emitida quando este retorna ao
estado fundamental ou a quantidade de radiação eletromagnética absorvida
decorrente da excitação, pode-se obter informações sobre o analito, sendo este
efeito utilizado na região do ultravioleta e visível (SKOOG, et al, 2006).
Esse fato está de acordo com a teoria da espectrofotometria, que diz que
quando uma fonte de luz monocromática incide sobre um meio homogêneo, uma
parcela dessa luz é refletida, outra é absorvida no meio e o restante é transmitido
(VOGEL, 1992).
Se chamarmos a intensidade da radiação da luz incidente de (I0), a da luz
absorvida (Ia), a da transmitida por (It) e da refletida de (Ir), teremos então que:
(1)
I0 = Ia + It + Ir
Observação: em uma interface ar-vidro, sempre presente quando se utiliza
células de vidro (cubetas do equipamento), pode-se admitir que 4% da luz
incidentes sejam refletidos (VOGEL, 1992).
Portanto, com a utilização de um sistema de controle, como uma célula de
comparação, pode-se desconsiderar a parcela (Ir). Então podemos dizer que:
(2)
I0 = Ia + It
Na análise quantitativa de soluções, de acordo com a Lei de Beer-Lambert,
a intensidade de um feixe de uma luz monocromática é exponencialmente
reduzida com a concentração de uma substância absorvedora.
Assim a Lei de Beer-Lambert fornece a relação entre a intensidade de luz
ao incidir na solução (I0) e a intensidade de luz ao sair da solução (I), então:
28
(3)
Log (I0/ I) = A = ɛcL
Sendo que:
A= absorbância.
ɛ= absorvidade molar da molécula.
c= concentração do material absorvedor.
L= espessura da amostra atravessa pela luz incidente (na cubeta).
Quando se usa um espectrofotômetro a intensidade de luz transmitida
(transmitância, T= It/ I0) é determinada diretamente em uma espessura L.
Mediante a variação de L e de c a validade da Lei Beer-Lambert, pode ser
verificada e o valor de ɛ pode ser estimado (VOGEL, 1992). Conhecendo este
valor, a concentração cx de uma solução desconhecida pode ser calculada:
(4)
Cx = log (I0/ It)/ (ɛ.L)
No caso, de células emparelhadas (L constante) a lei de Beer-Lambert
pode ser escrita como:
(5)
C α log (I0/ It)
C α log (1/T)
ou
C α A
Assim, ao fazermos leituras de padrões de uma dada substância com
concentrações conhecidas e plotando-se absorbância nas ordenadas contra a
concentração nas abcissas, obtém-se uma reta que passa pelo c=0, A=0 (T=
100%). Esta curva de calibração pode ser utilizada para determinar as
concentrações desconhecidas de um mesmo material após a leitura das
absorbâncias (VOGEL, 1992).
29
4.6.2 Absorciômetro e Espectrofotômetro
A absorção de luz na região do visível permite uma avaliação quantitativa,
através de um equipamento chamado de absorciômetro que possui células
fotoelétricas que medem a absorção da luz incidente em uma amostra. Esse
equipamento é composto essencialmente por uma fonte de luz, um filtro
apropriado, para garantir uma luz aproximadamente monocromática, uma célula
de vidro para a solução, uma célula fotoelétrica que recebe a radiação transmitida
pela solução, e um medidor, para determinar o sinal resposta da célula
fotoelétrica (VOGEL, 2002). O comparador é inicialmente calibrado com uma série
de soluções de concentrações conhecidas.
Nos absorciômetros (ou fotômetro fotoelétrico), que operam na região do
visível, os filtros e prismas utilizados são suficientes para selecionar a região
espectral de interesse. Já as redes de difração utilizadas nos espectrofotômetros
tem maior sensibilidade e permitem uma faixa maior de comprimento de onda,
que abrange o ultravioleta (VOGEL, 2002).
Espectrofotômetro ótico pode ser considerado como um fotômetro
fotoelétrico de filtro mais complexo, que permite o uso de faixas de luz quase
monocromáticas que podem variar de maneira contínua.
Esse instrumento analítico dispõe de um sistema ótico que pode provocar a
dispersão eletromagnética incidente, e com o qual se podem fazer medidas da
radiação transmitida num certo comprimento de onda da faixa espectral (VOGEL,
1992). Ou seja, são equipamentos analíticos capazes de determinar a
absorbância ou transmitância em função do comprimento de onda específico,
onde a solução (amostra) apresenta uma absorção seletiva máxima ou
transmitância seletiva mínima. Além de selecionar radiações monocromáticas,
permitindo determinações quantitativas baseadas na Lei de Beer-Lambert.
Os componentes básicos de um espectrofotômetro para uso nas regiões do
UV/Visível são (SKOOG, et al, 2006):
1- Fonte estável de energia radiante;
2- Monocromador que é um seletor de comprimento de onda que isola
uma região limitada do espectro para medida;
3- Recipientes para amostra;
30
4- Detector de radiação que converte a energia radiante para um sinal
elétrico mensurável;
5- Unidade de processamento e leitura de sinal.
O esquema simplificado dos principais componentes de um
espectrofotômetro pode ser visto na Figura 4.
Figura 4: Esquematização básica dos componentes de um Espectrofotômetro.
A principal vantagem dos métodos espectrofotométricos é a de
proporcionarem um meio simples para determinar quantidades diminutas de
substâncias (VOGEL, 1992).
4.7- Metais Pesados
Segundo Andreoli, von Sperling e Fernandes (2001), metal pesado pode
ser citado como “aquele metal que, em determinadas concentrações e tempo de
exposição, oferece risco ao meio ambiente e a saúde humana, prejudicando a
atividade dos organismos vivos”. Dentre os metais, os principais que se
enquadram neste conceito são: Hg, Cd, Pb, Ag, As, Co, Cr, Cu, Ni, Sb, Se e Zn.
No entanto, em concentrações que não causam riscos, esses elementos são
naturalmente encontrados no meio ambiente, sendo alguns deles essências para
o metabolismo dos seres vivos, em forma de micronutrientes.
Porém, Pb e Hg são tóxicos aos organismos vivos em qualquer quantidade
(CARROCCI, et al, 2007 e ANDREOLI, et al, 2001). Por esse motivo, dentre os
31
principais metais pesados, esses dois foram escolhidos como elementos de
interesse para este trabalho.
O chumbo tem ampla aplicação industrial, como na fabricação de baterias,
tintas, esmaltes, inseticidas, vidros, ligas metálicas etc. As doses letais para
peixes variam de 0,1 a 0,4 mg/L (CETESB, 2009).
Já as principais fontes antropogênicas de mercúrio no meio aquático são
as indústrias cloro-álcali de células de mercúrio, vários processos de mineração e
fundição, efluentes de estações de tratamento de esgotos, indústrias de tintas etc
(CETESB, 2009).
4.8-Espectrometria de Absorção Atômica
Dentre as várias aplicações das técnicas de absorção atômica pode se
destacar o controle da qualidade de águas e a determinação de componentes
metálicos em quantidades-traço na água do mar, rios, etc (CIENFUEGOS;
VAITSMAN, 2000). Fornecendo resultados sensíveis para a determinação
quantitativa de mais de sessenta elementos metálicos ou metaloides (HOLLER;
SKOOG; CROUCH, 2009).
Quando uma solução que contem íons de um metal entra em contato com
uma chama forma-se um vapor com átomos do metal. Alguns desses átomos na
fase gasosa podem ser levados a um nível de energia alto o suficiente para
permitir a emissão de uma radiação característica. No caso de sais de sódio, por
exemplo, a chama característica é amarela (VOGEL, 2011).
Em contrapartida, a grande maioria dos átomos do metal permanece em
seu no estado fundamental. Estes átomos são capazes de absorver a energia
radiante em um dado comprimento de onda de ressonância que é o comprimento
de onda da radiação que esses átomos emitiriam se fossem excitados a partir do
estado fundamental. Assim se fizermos uma luz com um determinado
comprimento de onda de ressonância passar por uma chama que contém os
átomos em questão, parte da luz será absorvida (VOGEL, 2011). Esta absorção é
32
proporcional à população de átomos no estado fundamental, consequentemente,
proporcional à concentração do elemento metálico de interesse.
4.8.1- Funcionamento de um Espectrômetro de Absorção Atômica
Uma análise com esse equipamento ocorre em determinadas etapas e em
módulos que o compõe, como pode ser visto na Figura 5.
Figura 2: Esquematização básica de um Espectrômetro de Absorção Atômica (Disponível
em: KRUG; NÓBREGA; OLIVEIRA, 2004).
Para que um elemento possa ser analisado por essa técnica é necessário
que seus átomos estejam no seu estado fundamental. Esse estado é alcançado
quando injeta-se uma solução que contém o elemento de interesse, no
nebulizador, que é convertida a gotículas extremamente pequenas (aerossol)
(HOLLER; SKOOG; CROUCH, 2009). Posteriormente, no queimador, esse
aerossol passa por uma chama, onde ocorrerão alguns processos, como a
evaporação do solvente, vaporização e dissociação das moléculas em seus
átomos constituintes (CASTRO, 2012).
Paralelamente, uma lâmpada com catodo emissor feito do mesmo
elemento em estudo, emite uma luz de comprimento de onda de ressonância
33
igual as do átomo em questão. Ao passar pela chama parte dessa luz é absorvida
pelos átomos no estado fundamental da substância de interesse (HOLLER;
SKOOG; CROUCH, 2009).
Em seguida, um monocromador, isola a raia de ressonância de interesse,
das demais raias que não são absorvidas pelos átomos do elemento sob análise
(CIENFUEGOS; VAITSMAN, 2000).
Então no dispositivo de leitura, a quantidade de radiação absorvida é
medida pela diferença entre o sinal transmitido, no detector, na presença e na
ausência do elemento a ser determinado. Esta absorção é proporcional à
concentração do elemento em estudo na solução, distribuída na chama
(CIENFUEGOS; VAITSMAN, 2000).
4.8.1.1 – Interferências da Técnica
A maioria dos metais pode ser determinada por aspiração direta da
amostra “in natura” dentro de uma chama de ar-acetileno. O tipo mais
problemático de interferência é chamado de "química" e resulta da falta de
absorção por átomos ligados em combinação molecular estável ao entrarem na
chama. Isto pode ocorrer quando a chama não é quente o suficiente para
dissociar as moléculas ou quando átomo de interesse é oxidado imediatamente a
um composto que não se dissocia mais à temperatura de chama (APHA, AWWA
e WEF, 1998). Tais interferências podem ser reduzidas pela adição de elementos
ou compostos específicos para a solução da amostra (APHA, AWWA e WEF,
1998). Por exemplo, a introdução de cálcio elimina a interferência de sílica na
determinação do teor de manganês. No entanto, o silício e metais, tais como
alumínio, bario, berílio, e vanádio requerem uma temperatura da chama de óxido
nitroso-acetileno para dissociar as moléculas (APHA, AWWA e WEF, 1998).
A chama de óxido nitroso-acetileno pode também servir na redução de
determinados tipos de interferências químicas encontradas na chama ar-
acetileno. Porém, aconselha-se utilizar uma correção de fundo quando se faz
análises de águas que contêm sólidos em excesso de 1%, especialmente quando
34
a linha de ressonância principal do elemento de em estudo está abaixo de 240 nm
(APHA, AWWA e WEF, 1998).
A Correção de fundo (background correction) deve ser usada quando a
absorção molecular e dispersão da luz, causada por partículas sólidas na chama
podem causar fenômenos que erroneamente levam a valores de absorção de
altíssimos. Quando esse fato ocorre, deve ser feita a correção de fundo para obter
valores precisos (APHA, AWWA e WEF, 1998).
.
4.8.2 – Atomizador eletrotérmico: Forno de Grafite
Diferentemente dos procedimentos utilizados na espectrometria de
absorção atômica com chama, nos atomizadores termoelétricos, uma pequena
quantidade de amostra é depositada e eletricamente aquecida para produzir uma
nuvem de vapor atômica (CIENFUEGOS; VAITSMAN, 2000).
Esses atomizadores são fornos pequenos e aquecidos eletricamente. A
atomização ocorre em um tubo cilíndrico de grafite aberto em suas extremidades,
Figura 6, que contem um orifício central para a introdução da amostra (SKOOG,
et al, 2006). Sendo capazes de melhorar o limite de detecção em cerca de 100
vezes quando comparados aos atomizadores com chama (CIENFUEGOS;
VAITSMAN, 2000).
O uso de atomizadores eletrotérmicos possibilita que microlitros de uma
amostra depositados no forno, através de uma série programada de eventos de
aquecimento, sofram uma sequencia de transformações que são a secagem, a
pirólise e a atomização. Essas etapas de aquecimento ocorrem da seguinte
forma: a uma temperatura de 110ºC ocorre à secagem da amostra pela
evaporação do solvente. Então, rapidamente eleva-se a temperatura para uma
faixa de 300 a 1200°C, com isso ocorre à calcinação da matéria orgânica
(pirólise). Em seguida, a temperaturas de 2000 a 3000°C ocorre à vaporização e a
atomização da amostra. Essas etapas ocorrem em questão de milissegundos
(SKOOG, et al, 2006).
35
A absorção das partículas atomizadas é então medida na região acima da
superfície aquecida.
O fato do tempo de residência ser cerca de 10 vezes maior, além do
confinamento em um volume menor, faz com que a densidade atômica do analito
seja cerca de 1000 vezes maior, comparado à chama, o que explica o aumento
da sensibilidade da técnica (CIENFUEGOS; VAITSMAN, 2000).
Figura 3: Esquematização de um forno de grafite (Disponível em: SKOOG, et al, 2009).
A determinação de traços de Pb e Hg, por exemplo, pela técnica da
Espectrometria de Absorção Atômica em Forno de Grafite (EAA- FG) é bastante
conveniente devido a sua seletividade, sensibilidade e capacidade de analisar
com a mínima ou sem preparação, matrizes diversas como sedimentos, tecidos
biológicos, fluidos corpóreos, água, alimentos, combustíveis, e outros (FROES;
WINDMOLLER; SILVA, 2006) .
4.8.2.1 – Modificadores Químicos
O forno de grafite permite que a eliminação da matriz, cuja presença pode
diminuir a eficiência analítica, e a atomização da amostra, ocorra em etapas
distintas, através de um programa de temperatura do forno, sendo este o principal
diferencial entre a técnica de Espectrometria de Absorção Atômica em Forno de
36
Grafite e a Espectrometria de Absorção Atômica em Chama (FROES;
WINDMOLLER; SILVA, 2006).
As perdas de analito na etapa de pirólise ou a presença de concomitantes
da amostra ainda não eliminados, na etapa de atomização, são causas de
interferências nessa metodologia. A utilização de modificadores químicos para
aumentar a estabilidade térmica do analito e a eficiência da etapa de pirólise, é
uma prática comum em determinações por ET AAS (FROES; WINDMOLLER;
SILVA, 2006).
A mistura de Pd com Mg é muito utilizada como modificador químico
universal, pela sua capacidade de estabilizar a maior parte dos elementos
determinados por EAA-FG. No entanto, existem outros elementos químicos que
podem atuar como modificadores, como por exemplo, o grupo da platina (Pt, Pd,
Ir, Rh e Ru) ou elementos formadores de carbetos metálicos (SILVA, 2004).
Na determinação de Pb, os modificadores mais utilizados são (PANINHO, 2010):
Pd(NO3)2/Pd, PdCl2/Pd, PdCl2/Pd + ácido
ascórbico, Pd(NO3)2/Pd + Mg(NO3)2 , (NH4)3PO4, NH4H2PO4, Mg(NO3)2 +
(NH4)2HPO4, Mg(NO3)2 + (NH4)2PO4.
O modificador químico pode atuar combinando-se com o analito,
aumentando sua estabilidade térmica ou combinando-se com a matriz
aumentando sua volatilidade. Os elementos utilizados como modificadores
químicos são, na maioria dos casos, metais e devem apresentar as seguintes
características (FROES; WINDMOLLER; SILVA, 2006):
- Ser raramente determinado por EAA-FG;
- Não diminuir a sensibilidade da técnica;
- Estabilizar o analito para a total eliminação da matriz na pirólise;
- Não diminuir a vida útil do tubo de grafite;
- Ser disponível em alto grau de pureza;
- Não contribuir para a absorção de fundo;
37
- Ser o mais universal possível.
4.8.3- Procedimentos Preliminares para Espectrometria de Absorção
Atômica
Antes de qualquer análise deve-se obter a curva de calibração para uso
nas medidas de absorção atômica. Essas curvas de calibração são alcançadas
aspirando para a chama, do equipamento, soluções padrões com concentrações
conhecidas do elemento em estudo e medindo a absorção de cada solução. E ao
relacionar a medida de absorção contra a concentração das soluções, obtém-se
graficamente a curva de calibração para a dada substância (VOGEL, 2011).
Se a solução teste contiver a quantidade adequada de material, para dar
uma leitura satisfatória de absorbância, pode ser analisada sem tratamento
prévio. No entanto, em amostras com concentrações muito pequenas do metal de
interesse, serão necessárias soluções padrões com concentrações muito
pequenas do elemento relevante, nesses casos os padrões geralmente são
preparados a partir da diluição de uma solução estoque com 1000 µg/L do metal
em estudo (VOGEL, 2011). Agora se a concentração do metal de interesse for
muito alta, a amostra deve ser diluída quantitativamente antes do início da leitura
das absorbâncias.
4.8.4 - Técnicas para Preparação de Amostras
4.8.4.1 - Procedimentos de Concentração
Se a amostra contiver substâncias interferentes ou se a concentração do
analito for muito pequena, pode ser necessário técnicas de separação. Os
procedimentos de separação mais comuns são a extração por solventes e a troca
iônica (VOGEL, 2002).
38
5- PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
5.1- Habilitações para Coleta
Sendo a coleta parte integrante do processo analítico e sua execução
contribuindo decisivamente para os resultados, antes de efetuá-las foi feito um
estudo do Manual Técnico para Coleta de Amostras de Água (MINISTÉRIO
PÚBLICO DE SANTA CATARINA, 2009), para que autor desse trabalho estivesse
devidamente treinado sobre as técnicas de amostragem e preservação, medidas
de segurança, conhecimento da localização exata dos pontos de amostragem e
registro de condições atípicas nos referidos locais. As amostragens foram feitas
em dois pontos fixos.
5.2 - Preservação das Amostras
As amostras após a coleta foram transportadas em uma bolsa térmica com
gelo, em frascos de polietileno, para preservação das amostras, sendo o tempo
da coleta à análise no laboratório da EEL-USP, inferior a 50 minutos. Esse fato
favorece a representatividade das amostras.
5.3 - Pontos de Amostragem
Foram escolhidos dois pontos de amostragem para realização das
análises, como pode ser visto na Figura 7.
39
Figura 7: Foto de Satélite dos pontos de Amostragem (Adaptado de: http://maps.google.com.br).
- Ponto 1 (Montante) : Região próxima a “3º ponte” de Cruzeiro - SP, que
encontra-se antes do perímetro urbano, Figuras 8 e 9.
Latitude e Longitude: -22° 35' 46.49" e -44° 58' 14.81".
Figura 8: Foto de Satélite do ponto 1 de Amostragem (Adaptado de: http://maps.google.com.br).
40
Figura 9: Região próxima a “3º ponte” de Cruzeiro – SP.
- Ponto 2 (Jusante): Região da Vila Maria, que se encontra após praticamente
todo o trecho urbano, Figuras 10 e 11.
Latitude e Longitude: -22° 34' 8.91" e -44° 55' 57.25".
Figura 10: Foto de Satélite do ponto 2 de Amostragem (Adaptado de: http://maps.google.com.br).
41
Figura 11: Região da Vila Maria, Cruzeiro-SP.
5.4- Equipamentos
- Espectrômetro de Absorção Atômica: Absorption Spectrometer Aanalyst
800, PerkinElmer Instruments.
Para a análise dos metais Hg e Pb foi utilizado um espectrômetro de
absorção atômica, marca PerkinElmer, modelo AAnalyst 800 (Figura 12), com
sistema integrado que incorpora os componentes para operação chama e forno
de grafite, possibilitando a troca automática da técnica de atomização. Dentre
seus componentes principais podemos citar:
O forno de grafite atua com aquecimento transversal, permitindo um perfil
de temperatura uniforme, com correção de background por efeito Zeeman
longitudinal. Sendo controlado automaticamente via software, que proporciona um
programa analítico com até 12 steps de parâmetros programáveis, tais como
temperatura (até 2600 ºC com intervalos de 10 ºC) e rampa de aquecimento
(programável de 1 a 99 s), (LOURES, 2011).
42
O sistema ótico de duplo feixe ou mono feixe para operação com forno de
grafite, com componentes óticos revestidos com material anticorrosivo e tampa
protetora. Sendo o monocromador motorizado tipo Littrow para seleção
automática do comprimento de onda, ajuste e alinhamento. Tendo sua faixa de
trabalho de 185 a 870 nm, com grade de difração de 1800 linhas/mm e detector
de estado sólido. Com correção de background, para chama, por lâmpada de
deutério (LOURES, 2011).
Figura 12: Espectrômetro de Absorção Atômica.
- Turbidímetro: TB1000, MS Tecnopon
O Turbidímetro digital (Figura 13) apropriado para leituras de turbidez em
águas com exatidão. Sendo que um microprocessador interno minimiza os erros
de operação e garante a exatidão da leitura em toda a escala. A utilização de
cinco padrões prontos facilita a calibração automática.
Dentre os seus componentes podemos citar o gabinete anticorrosivo, saída
para computador tipo RS-232C, lâmpada para 15.000 horas de trabalho, indicador
43
de leitura estável que mostra quando a leitura pode ser tomada. Além de dois
sensores tipo foto-diodo de Silício, dispostos a 90º e 180º, para correção de erros
(TECNOPON, 2012). As especificações técnicas do equipamento estão descritas
abaixo:
- Seleção automática das escalas de trabalho;
- Faixas de trabalho de 0 a 1000 NTU;
- Reprodutibilidade <0,05;
- Exatidão <5%;
- Reposta das leituras 2 segundos;
- Iluminação lâmpada de tungstênio;
- Set de padrões prontos com os valores (0,1 NTU, 0,8 NTU, 8 NTU, 80 NTU e
1000NTU)
.
Figura 13: Turbidímetro TB1000 (Adaptado de: TECNOPON, 2012).
-Espectrofotômetro: Spectrophotometer SP1105 BEL Photonics
É um instrumento (Figura 14) ideal para várias aplicações tais como
análises químicas, bioquímicas, petroquímicas, água, entre outros. Tendo uma
escala de comprimento de onda total de 360nm a 1000nm.
44
Figura 14: Espectrofotômetro.
- Medidor de pH: HI2221 HANNA Instruments.
Este equipamento (Figura 15) possui ponto de calibração de pH maior que
5 com 7 tampões memorizados (1.68, 4.01, 6.86, 7.01, 9.18, 10.01 e 12.45 pH),
memória para 100 amostras, alarme de calibração, leitura de pH com
compensação manual ou automática de temperatura e interface com computador.
Tendo intervalos de operação, -2,00 a 16,00 pH, com resolução 0,01 pH e
precisão em ±0,01 pH (HANNA, 2012).
Figura 15: Medidor de pH.
45
-Termo-reato (digestor para DQO com controle de temperatura e
aquecimento resistivo), (Figura 16).
Figura 16: Termo reator.
-Incubadora para DBO: SP-500 B.O.D SP Labor
A incubadora (Figura 17) utilizada nesse trabalho possui os seguintes
recursos:
- Sistema de proteção de superaquecimento por termostato analógico;
- Reservatório interno que proporciona umidade por evaporação natural;
- Controlador de temperatura com microprocessador digital, com sistema pid;
- Sensor de temperatura pt 100, com leitura digital do set point e do processo;
- Sistema de aquecimento através de resistência blindada em aço inox;
- Painel frontal superior com controlador de temperatura, chave geral e leds com
indicação de aquecimento e refrigeração;
A programação de temperatura de segurança é de no mínimo 2ºC abaixo
ou acima do set-point, com alarme áudio/visual e desligamento de todo sistema
46
para evitar perda de materiais incubados. Podendo atuar na faixa de trabalho de -
10ºC até 60ºC, resolução 0,1ºC e variação do controlador +- 0,5ºC. Estas
informações estão disponíveis no site do fabricante (SPLABOR, 2012)
Figura 17: Incubadora para DBO.
- Balança analítica Shimadzu AY220, (Figura 18).
Especificações Técnicas (SPLABOR, 2012):
-Leitura: 0,1 mg;
-Repetividade: 0,1 mg;
-Linearidade: +-0,2 mg;
-Temperatura de operação: 5 a 40°C;
-Coeficiente de sensibilidade à temperatura: +/- 2 ppm/°C (10 a 30°C)
-Diâmetro do prato: 80 mm.
47
Figura 18: Balança Analítica.
- entre outros.
6 – METODOLOGIAS ANALÍTICAS
6.1 - Leitura do Potencial de Hidrogênio
Após a calibração do equipamento. Pegou-se um béquer de vidro com
capacidade para 50 mL, limpo e seco, transferiu-se aproximadamente 40 mL da
amostra. Rinsou-se o eletrodo do medidor de pH com água destilada, secou-se
com papel absorvente e colocou-se o eletrodo em contato com a amostra, sem
agitação. Anotou-se o valor mostrado pelo equipamento após estabilização da
leitura.
6.2 - Leitura da Turbidez
Primeiramente, executou-se a calibração do turbidímetro TB1000, com os
padrões prontos do próprio equipamento (0,1NTU; 0,8NTU; 8,0NTU; 80NTU e
1000NTU), fazendo a leitura dos mesmos conforme eram solicitados nos
procedimento de calibração automática.
48
Após a calibração, lavou-se a cubeta do equipamento e rinsou-se com
água destilada. Em seguida, rinsou-se a cubeta com a amostra, descartando-se a
água de rinsagem e completou-se a cubeta com a amostra. Então, executou-se a
leitura.
6.3- Demanda Química de Oxigênio (0 a 200 mg/L O2), baseada em (APHA,
AWWA e WEF, 1998 e LOURES, 2011).
6.3.1 - Preparação da Solução de Sulfato Ácido de Prata 0,67% m/v
Pesou-se um de béquer de vidro com capacidade para 50 mL, 3,35 g de
sulfato de Prata com auxílio de uma espátula, em uma balança analítica com
precisão de 0,0001 g. Transferiu-se quantitativamente, a massa pesada, para um
béquer de vidro com capacidade para 1 L e adicionou-se 500 mL de ácido
sulfúrico concentrado, medido em proveta graduada de 250 mL. Em seguida,
transferiu-se a solução para um frasco âmbar.
Como a completa dissolução deste sal é lenta, foi necessário esperar 48 h,
antes de utilizar a solução.
6.3.2 - Preparação do Padrão de Biftalato de Potássio ~160 mg/L
Após o cálculo da massa necessária de biftalato de potássio, pesou-se
0,1602 g em uma balança analítica com precisão de 0,0001 g, com auxílio de uma
espátula, em um béquer limpo e seco com capacidade para 50 mL.
Após dissolução total do sal em água destilada, transferiu-se
quantitativamente para um balão volumétrico com capacidade para 1000,0 mL,
rinsou-se o béquer três vezes aproveitando-se as águas de lavagens. Em
seguida, completou-se o volume do balão volumétrico até o menisco com água
destilada e homogeneizou-se a solução.
49
6.3.3- Preparação da Solução de Dicromato de Potássio 0,1 eq/L
Colocou-se 20 g deste sal em béquer de 50 mL, tampou-se com vidro de
relógio, em seguida, colocou-se em uma estufa a 110 ºC. Após uma hora na
estufa, colocou-se o mesmo em um dessecador por 30 minutos.
Então, pesou-se exatamente 2,4524 g, em balança analítica com precisão
de 0,0001 g, em um béquer com capacidade para 50 mL. Adicionou-se água
destilada para dissolução total do sal e transferiu-se quantitativamente para um
balão volumétrico com capacidade para 500,0 mL, rinsou-se o béquer três vezes
aproveitando-se as águas de lavagens com transferências quantitativamente para
o balão volumétrico. Em seguida, completou-se o volume do balão volumétrico até
o menisco com água destilada e homogeneizou-se a solução.
Cálculos:
m= N x eq x V (6)
m= 0,1 x 49 x 0,5 = 2,45 g / pureza % = 2,4524 g
Onde:
m=massa.
N= normalidade.
Eq= equivalente grama.
V= volume.
6.3.4 - Procedimentos para Obtenção de Curva Analítica de DQO
Em frascos de vidro com tampa, específicos para análises de DQO,
devidamente lavados em água destilada e água régia (HCl + HNO3) para remoção
de resíduos e secos em estufa a 100 ºC.
50
Pesou-se cada frasco uma quantidade de sulfato de mercúrio de
0,040 g a 0,050 g, em balança analítica com precisão de 0,0001 g. Após a
pesagem do sulfato de mercúrio, que atua como agente mascarante de
interferências, adicionou-se 2,50 mL de sulfato de prata 0,67 % m/v com pipeta
graduada de 5,00 mL. Em seguida, adicionou-se 0,5 mL de dicromato de potássio
0,1 eq/L e 0,3 mL de água destilada, ambos com auxilio de micropipeta (100 -
1000 µL). A adição dos reagentes nos frascos de DQO foi realizada na mesma
seqüência descrita, e após a adição de todos os reagentes executou-se uma leve
agitação. Nestes mesmos fracos colocou-se as quantidades de biftalato de
potássio e água destilada, com auxílio da micropipeta, de acordo com a Tabela 3.
Tabela 3: Volumes para preparação de frascos de DQO, curva de
calibração.
Frascos Volume (mL) de Biftalato de Potássio
160,2 mg/L Volume (mL) de Água
Destilada
0 0 2,00
1 0,10 1,90
2 0,25 1,75
3 0,40 1,60
4 0,50 1,50
5 0,75 1,25
6 1,00 1,00
7 1,25 0,75
Após a preparação dos frascos, levou-se os mesmos a um termo-reator
onde ficaram por 2 horas a uma temperatura de 150 ºC. Em seguida, retirou-se do
aquecimento e deixou-se resfriar até temperatura ambiente.
Antes da medida espectrofotométrica, ligou-se o espectrofotômetro por 30
minutos para sua devida estabilização, com o ajuste do comprimento de onda
para DQO de baixo teor 420 nm.
Em seguida, levou-se os frascos preparados, em uma estante adequada,
para a medida da absorvância, conforme mostrado na Figura 19.
51
Figura 19: Frascos de DQO.
Primeiramente, lavou-se com o emprego de água deionizada uma cubeta
de vidro, secou-se a mesma com papel absorvente. Em seguida, rinsou-se a
mesma com uma pequena quantidade do “branco” contida em um dos frascos de
DQO, e completou-se a cubeta com a mesma solução branco. O branco é o
frasco no qual colocaram-se todos reagentes, porém ao invés do padrão de
biftalato de potássio (ou amostra) colocou-se 2,00 mL de água destilada. Em
seguida, colocou-se a cubeta com o branco na sua posição específica como
referência ou ajuste “zero”.
O mesmo procedimento de rinsagem foi realizado para cada frasco de
DQO contendo os padrões. O equipamento possui duas posições para as cubetas
(Figura 20), uma para a cubeta com o branco e outra para a cubeta com os
padrões (ou amostras). Após a colocação das cubetas no espectrofotômetro,
realizou-se a medida das absorvância de cada padrão.
52
Figura 20: Posições das cubetas no espectrofotômetro.
O equipamento Spectrophotometer SP1105, desconta
automaticamente a absorvância do branco ao fornecer o valor da absorvância da
amostra ou padrão lido.
Com os valores das absorvâncias dos padrões traçou-se a curva analítica
de DQO de baixa concentração.
Após traçada a curva analítica e avaliado a sua linearidade procedeu-se a
determinação da concentração de DQO nas amostras de água do Rio. A
preparação dos tubos foram idênticas as dos padrões, exceto a adição de 2,00
mL das amostras do Rio de interesse.
Cálculos:
-Equivalência química entre o dicromato de potássio e a concentração de O2 :
Sabe-se que se utiliza na análise de DQO 0,5 mL da solução de K2Cr2O7
0,1 eq/L. Assim, tem-se:
53
(N x V) de K2Cr2O7 = (m/eq ) de O2 (7)
0,1 x 0,0005 = m/(16/2)
m O2 = 0,0004g
[mg/L O2] = (0,0004 x 1000)/0,002 = 200 mg/L
Equivalência química entre o padrão primário de Biftalato de Potássio e a
concentração de O2:
(8)
C8H5KO4 150ºC
8 CO2 150ºC 8 O2
204,22 (g/mol) 8 x 32 (g/ mol)
X=159,55 mg/L C8H5KO4 200 mg/L O2
Portanto, 159,55 mg de C8H5KO4 em 1 litro de solução, representa a
concentração máxima de DQO, em termos de mg/L de O2 que esta curva analítica
possui como linearidade. Pesou-se 160,20 mg C8H5KO4 para 1 litro de solução.
Para calcular a concentração de O2 em cada frasco, deve-se fazer o cálculo
estequiométrico em relação ao volume de biftalato.
Frasco 1: 0,1 mL de solução de Biftalato de Potássio e 1,9 mL de água
destitada, representando um fator de diluição igual a 20.
Portanto:
204,22 (g x mol-1) 8 x 32 (g x mol-1)
159,55 mg/L C8H5KO4 200 mg/L O2
(160,20 mg/L)/20 C8H5KO4 X=10,04 mg/L O2
54
O mesmo procedimento deve ser feito para os cálculos dos outros frascos.
Assim temos a Tabela 8 com os valores das concentrações de DQO (O2 em mg/L)
e os valores de suas respectivas absorvâncias obtidas experimentalmente.
6.4- Análises por Espectrometria de Absorção Atômica
6.4.1- Análise do Teor de Pb
Para a determinação da concentração de chumbo em amostras de águas
superficiais fez-se a adaptação da metodologia do Standard Methods 3000 –
Metals (APHA, 1998), baseada a análise de elementos metálicos via atomização
por Espectrometria de Absorção Atômica Eletrotérmica [Eletrothremal atomic
absorption spectrometry (ETAAS)], sendo a lâmpada utilizada do tipo EDL
(“Electrodeless Discharge Lamp”).
Padrão metálico utilizado, com concentração de 1 mg g-1, foram da marca
SpecSol® com rastreabilidade NIST.
As condições analíticas para a determinação da concentração do chumbo
via EAA-FG são mostrados na Tabela 4. A programação do forno de grafite é
mostrada na Tabela 6. As condições adotadas para a determinação elementar por
ETAAS obedecem às condições SPTF (Standard Platform Temperature Furnace).
Sendo que a água utilizada nessas análises foi água destilada, água
deionizada e água ultrapura Mili-Q com resistividade de 18,2 m cm, obtida por
um sistema Millipore, modelo Simplicity.
55
Tabela 4: Condições experimentais para determinação de chumbo em amostra de
Rio por espectrometria de absorção atômica com atomização por forno de grafite.
Elementos
Parâmetros
Comprimento
de Onda
(nm)
Abertura
da Fenda
(nm)
Corrente
da
Lâmpada
(mA)
Alíquota
da
Amostra
(L)
Modificador
Químico
Pb 283,3 0,7 440 10
50 g
NH4H2PO4 + 3
g Mg(NO3)2
O modificador introduzido age de modo a permitir uma maior
eficiência na separação térmica do analito na etapa da pirólise, o analito é
estabilizado e a matriz removida por volatilização.
6.4.2 Análise do Teor de Hg
Em função de esse elemento ter características físico-químicas voláteis,
normalmente o mercúrio é determinado por vapor frio. Como não se tem esse
acessório, optou-se em fazer a extração/pré-concentração com ditizona.
Para a determinação da concentração de mercúrio em amostras de águas
superficiais fez-se a adaptação da metodologia do Standard Methods 3000 –
Metals (APHA, 1998), baseada a análise de elementos metálicos via atomização
por Espectrometria por Absorção Atômica Eletrotérmica (ETAAS), sendo a
lâmpada utilizada do tipo EDL (“Electrodeless Discharge Lamp”).
Idêntico também foi a água e o padrão utilizado, conforme descritos na
determinação do chumbo.
As condições analíticas para a determinação da concentração do mercúrio
via EAA-FG são mostrados na Tabela 5. A programação do forno de grafite é
mostrada na Tabela 6. As condições adotadas para a determinação elementar por
ETAAS obedecem às condições SPTF (Standard Platform Temperature Furnace).
56
Tabela 5: Condições Analíticas para a determinação da concentração do mercúrio
via EAA-FG
Elementos
Parâmetros
Comprimento
de Onda
(nm)
Abertura
da Fenda
(nm)
Corrente
da
Lâmpada
(mA)
Alíquota
da
Amostra
(L)
Modificador
Químico
Hg 253,7 0,7 30 10 -
Tabela 6: Programação do forno de grafite HGA para a determinação do Pb e Hg
nas amostras de água do Rio Paraíba do Sul.
Etapa Temperatura
(ºC)
Rampa de
Aquecimento (s)
Tempo de
Isoterma
(s)
Fluxo de Argônio
(L min-1)
Secagem 110 20 10 250
Secagem 150 10 5 250
Pirólise 900 20 10 250
Atomização 1500 0 5 0
Limpeza 2450 5 3 250
Resfriamento 20 5 5 250
6.4.2.1 - Preparação da Solução de Ditisona 100 mg/L
Pesou-se em um béquer de vidro com capacidade para 50 mL, 100 mg de
ditisona P.A., em uma balança analítica com precisão de 0,0001 g. Adicionou-se
aproximadamente 20 mL de clorofórmio P.A., para solubilização. Transferiu-se
57
quantitativamente para um balão volumétrico de vidro com capacidade para
1000,0 mL, avolumou-se o balão com clorofórmio.
6.4.2.2 - Preparação da Solução de Ditisona 6 mg/L
Pegou-se com micropipeta 6,00 mL da solução de ditisona 100 mg/L.
Transferiu-se quantitativamente para um balão volumétrico com capacidade para
100,0 mL, avolumou-se o balão com clorofórmio P.A..
6.4.2.3 - Procedimento de Digestão e Pré- Concentração de Hg
O procedimento para determinar a quantidade de mercúrio em água
consistiu nos seguintes passos:
- Transferiu-se 200,0 mL, medidos em balão volumétrico, da amostra para um
béquer de capacidade para 300,0 mL. Em seguida, adicionou-se 5,0 mL de ácido
sulfúrico (H2SO4) 5 eq /L, medidos em proveta graduada de 10 mL.
Em uma placa de aquecimento, aqueceu-se a solução até 80 ºC, tirou-se
do aquecimento e adicionou-se gotas de permanganato de potássio (KMnO4) 5%
(m/v) até coloração róseo constante; e 5,0 mL de persulfato de potássio (K2S2O8)
5% (m/v). Tampou-se o béquer com vidro de relógio e deixou-se em repouso por
30 minutos.
Adicionou-se gotas de cloridrato de hidroxilamina (NH2OH.HCl) 50% (m/v)
até a solução passar de róseo para incolor.
Transferiu-se toda solução para um funil de separação e adicionou-se, com
proveta graduada, 12,5 mL de solução de ditisona 6 mg/L. Tampou-se o funil e
homogeneizou-se a solução, deixou-se em repouso para ocorrer a separação de
fase. No fundo do funil de separação retirou-se a solução esverdeada,
transferindo para um balão volumétrico de 25,00 mL. Adicionou-se mais 12,5 mL
de solução de ditisona 6 mg/L, no funil de separação, tampou-se e
homogeneizou-se a solução, deixou-se em repouso para ocorrer a separação de
58
fase. Pelo fundo do funil, transferiu-se o restante da solução esverdeada para o
balão volumétrico e avolumou-se com a solução de ditisona 6 mg/L.
Repetiu-se esse procedimento, porém ao invés de amostra, colocou-se
água deionizada, para se fazer um teste “branco”.
E em seguida realizou-se a leitura do branco e das amostras, contidas nos
seus respectivos balões volumétricos.
6.4.2.4- Validação da metodologia espectrométrica via atomização por forno
de grafite
Para a validação do método analítico foram avaliados as figuras de mérito:
limite de quantificação, os testes de recuperação e linearidade. As dopagens
foram realizadas por simples dopagens das águas do Rio Paraíba do Sul com
padrões certificados, de tal forma que as mesmas apresentassem concentrações
finais como mostradas na Tabela 7. Para as dopagens (em triplicata) foram
utilizadas a mesma amostra do Rio Paraíba do Sul.
Tabela 7: Concentração dopada na amostra de água de rio para o teste de
recuperação.
Elemento Concentração Dopada
mg L-1
Hg 0,01
Pb 0,2
59
6.5- Análise de DBO5,20°C, baseada em (APHA, AWWA e WEF, 1998 e LIMA, et
al, 2006)
Primeiramente em todas as amostras, fez-se a verificação do pH,
certificando-se que as amostras estavam com pH entre 6,0 a 8,0. Se fosse
necessário ajustaria-se o pH para a faixa entre 7,0 a 7,2 com solução H2SO4 ou
NaOH.
6.5.1 - Aferição da solução padrão de Na2S2O3 0,025 mol /L
Aferiu-se o padrão secundário Na2S2O3 0,025 mol/L por tiossulfatometria,
utilizando-se como padrão primário K2Cr2O7 0,1 eq/L.
Transferiu-se com pipeta volumétrica de 5,0 mL da solução de K2Cr2O7 0,1
eq/L para um erlenmeyer de 500 mL com boca esmerilhada e adicionou-se 15 mL
de solução de bicarbonato de sódio 4 % m/v, 15 mL de solução de KI 6 % m/v e 2
mL de HCl concentrado, todos medidos em proveta graduada de 25 mL, exceto o
HCl (pipeta graduada de 5 mL). Após 10 minutos de reação no escuro, ajustou-se
o volume da solução reacional para 300 ml com água destilada.
Iniciou-se a titulação com o padrão secundário de Na2S2O3 0,025 mol/L em
uma bureta de 50,00 mL, até a solução do erlenmeyer passar de amarelo escuro
(castanho), para amarelo claro, então adicionou-se 2 mL de solução de goma de
amido 1% m/v. A solução tornou-se azul escuro, e, então, continuou a titulação
até que a solução ficasse levemente esverdeada. Anotou-se o volume consumido
na bureta. Esse procedimento foi feito em triplicatas.
Pela equivalência química entre a solução padrão primário de dicromato e
a solução de tiossulfato foi possível determinar a concentração real do Na2S2O3
0,025 mol/L.
6.5.2 - Preparação e condicionamento da água de diluição
60
Aerou-se cinco litros de água deionizada em um barrilete plástico,
mecanicamente, através de bomba de ar comprimido, provido de filtro de ar, por
um período de 3 horas. Em seguida, deixou-se repousar por 1 hora a 20 °C dentro
de uma Incubadora.
6.5.3 - Preparação da solução contendo os nutrientes
Após o repouso, adicionou-se à água destilada aerada, 5,0 mL das
soluções de cloreto férrico, cloreto de cálcio, sulfato de magnésio e tampão
fosfato pH 7,2. Para a homogeneização da solução, agitou-se levemente,
evitando a formação de bolhas de ar.
6.5.4 - Preparação da solução SEED
Preparou-se a solução que contém os microrganismos aeróbicos (seed) da
seguinte forma: em 1 L da água aerada adicionou-se o conteúdo de uma cápsula
do BODseed. Agitou-se a solução durante uma hora.
6.5.5 - Procedimento para incubar o “branco”
Com o auxílio de um sifão de vidro, transferiu-se cautelosamente a solução
contendo os nutrientes para três frascos de DBO, de tal modo que minimizasse a
formação de bolhas de ar. Tampou-se bem e certificou-se que os frascos não
continham bolhas de ar. Colocou-se dois destes frascos na incubadora, onde
permaneceram por cinco dias a 20 °C, submersos em água.
O terceiro frasco usou-se para a quantificação imediata da concentração de
OD (oxigênio dissolvido).
61
6.5.6 - Procedimento para incubar o “seed”
Utilizou-se um sifão de vidro para transferir a solução dos nutrientes até a
metade de um frasco de DBO. Adicionou-se 2,0 mL de solução seed, lentamente,
para não formar bolhas de ar. Em seguida, completou-se o volume com a mesma
solução de nutrientes. Repetiu-se este procedimento por mais duas vezes, em
outros dois frascos de DBO. Colocou-se dois destes frascos na incubadora,
denominando-os de soluções seed, e reservou-se o terceiro, para a quantificação
imediata da concentração de OD.
6.5.7 - Procedimento para amostras com concentrações de OD abaixo de 5
mg/L
Aerou-se 4 litros da amostra por um período de 3 h, deixando-a em
repouso por 1 hora, a 20ºC, em uma incubadora.
Condicionadas dessa forma as amostras ficam com uma concentração de
OD suficiente para a determinação da DBO (LIMA, et al, 2006).
Adicionou-se 1,0 mL das soluções de cloreto férrico, cloreto de cálcio,
sulfato de magnésio e tampão pH 7,2, por litro de amostra.
Utilizou-se um sifão para transferir a amostra preparada até a metade de
um frasco de DBO. Em seguida, adicionou-se 2,0 mL da solução de seed ao
mesmo frasco de DBO, lentamente.
Completou-se o volume com a mesma amostra preparada. Repetiu-se este
procedimento por mais três vezes, em outros três frascos de DBO.
Colocou-se três destes frascos na incubadora, e reservou-se o quarto
frasco, para a quantificação imediata da concentração de OD. Anotou-se os
volumes de todos os frascos utilizados para análise de DBO.
62
6.5.8 - Determinação de oxigênio dissolvido (OD)
Adicionou-se 2 mL da solução de MnSO4. Tampou-se o frasco de DBO,
agitou-se para homogeneizar. Adicionou-se, 2 mL de solução alcalina de iodeto e
azida aos mesmos frascos, ambas as soluções medidas em pipeta de 5 mL.
Novamente, tampou-se os frascos, eliminando as sobras remanescentes nos
selos, agitou-se.
Deixou-se os frascos repousarem até a sedimentação de todo o precipitado
formado. Agitou-se por mais duas vezes, assegurando-se a completa conversão
e, após a sedimentação do precipitado, adicionou-se 2 mL de H2SO4 concentrado
pela parede interna dos frascos, também medido com pipeta de 5 mL.
Tampou-se rapidamente, agitou-se os frascos para a dissolução total do
precipitado. A coloração amarelada (castanho) da solução ocorre devido à
formação de iodo livre (I2) que foi quantificada pela titulação com solução padrão
de Na2S2O3 0,025 eq/L.
Em seguida, transferiu-se 200 mL da solução dos frascos de DBO para um
erlenmeyer de 300 mL. Iniciou-se a titulação com o padrão secundário de
Na2S2O3 0,025 mol/L em uma bureta de 10,00 mL, até a solução passar de
amarelo escuro (castanho), para amarelo claro, então adicionou-se 2,0 mL de
solução de goma de amido 1% m/v. A solução tornou-se azul escuro, continuou-
se a titulação até que a solução ficasse incolor. Anotou-se o volume consumido
na bureta. O volume da solução de Na2S203 consumido é igual à concentração de
OD em cada frasco.
Reações envolvidas: (9)
4 MnSO4 + O2 + 10 H2O 4 Mn(OH)3 + 4 H2SO4
(10)
4 Mn(OH)3 + 4I- + 12 H+ 4 Mn2+ + 2I2 + 12 H2O
(11)
4 Na2S2O3 + 2 I2 2 Na2S4O6 + 4 NaI
63
7 – CUIDADOS OPERACIONAIS NA AMOSTRAGEM
No decorrer da execução desde trabalho experimental, foram encontradas
algumas dificuldades operacionais, que levantaram a necessidade de uma
estratégia mais rigorosa de amostragem.
Por questão de segurança todas as coletas eram realizadas com duas
pessoas, ou seja, o autor desse trabalho que fazia a coleta propriamente dita e
mais uma pessoa. Além da necessidade de um veículo próprio para limitar o
tempo da coleta até o início da realização das análises no laboratório da EEL-
USP, em média 45 min. Também, procurou-se encher completamente os frascos
de amostragem até que derramasse, minimizando qualquer espaço para que o ar
atmosférico aerasse a amostra de água durante o percurso.
Outro fator importante durante a amostragem é registro de ocorrência de
chuvas na hora da coleta ou no dia anterior, para posterior verificação da
influência (ou não) da chuva nos resultados das análises.
64
8 – RESULTADOS ANALÍTICOS
8.1 – Demanda Química de Oxigênio
8.1.1 Curva de Calibração DQO
Traçando-se a curva analítica com o dados experimentais obtidos (Tabela
8) e fazendo a regressão linear no Software EXCEL 2010, obtém-se a equação
linear da reta, conforme a Figura 21.
Tabela 8: Concentração versus absorvâncias da curva analítica de DQO.
Frasco Biftalato de potássio (mL) DQO (mg/L) Absorvância
0 0 0 0
1 0,10 10,04 0,015
2 0,25 25,10 0,056
3 0,40 40,16 0,084
4 0,50 50,20 0,108
5 0,75 75,30 0,160
6 1,00 100,41 0,214
7 1,25 125,51 0,273
Y=0,0022X - 0,0023 (12)
Onde:
X= concentração de O2 (mg/L)
Y= Absorvância.
Portanto: (13)
[mg/L O2]= (Y+0,0023)/0,0022
65
Figura 21: Curva de Calibração de DQO.
8.1.2 - Resultados da DQO das Amostras
Com a curva analítica (equação da reta) pode-se calcular a DQO das
amostras a partir de suas respectivas absorvâncias. E através da alimentação de
uma planilha do Microsoft EXCEL 2010 foram feitos os cálculos da DQO e seus
respectivos desvios. A Tabela 9 e a Figura 22 demonstram os resultados obtidos.
Tabela 9: Resultados de DQO
Montante Jusante
Data Ocorrência de Chuva DQO (mg/L) Desvio Padrão DQO (mg/L) Desvio Padrão
31/mai Não 82 ±3 46 ±1
05/jun Sim 7 ±1 34 ±2
13/jul Sim 39 ±3 2 ±1
03/ago Não 6 ±1 15 ±1
17/ago Não 14 ±3 18 ±1
30/ago Sim 15 ±2 9 ±1
04/set Não 19 ±2 19 ±1
13/set Não 5 ±1 6 ±1
66
Figura 22: Perfil de variação de DQO.
Como valores máximos permitidos de DQO não constam na legislação
aplicada para esse trabalho, foi feita uma comparação dos resultados das
amostras da montante e da jusante. Onde foi observado, pelo figura 22, um
comportamento semelhante nas curvas das amostras da jusante e montante,
principalmente a partir do mês de Agosto. Indicando que nesse período não
houve contribuição significativa dos efluentes da cidade de Cruzeiro – SP, na
DQO do Rio Paraíba do Sul, visto que os valores da montante também eram
baixos.
Outro fato observado é que houve uma tendência diminuição nos valores
de DQO com o decorrer do tempo, esse fato pode estar relacionado ao período
de seca nesse período.
8.2 – Turbidez
A Tabela 10 mostra os resultados obtidos na análise de turbidez.
67
Tabela 10: Valores de Turbidez
Montante Jusante
Data Ocorrência de Chuva Turbidez NTU Turbidez NTU
31/mai Não 16,3 20,0
03/ago Não 40,4 18,1
09/ago Não 43,9 27,6
17/ago Não 10,9 14,6
30/ago Sim 26,1 17,5
04/set Não 26,9 25,7
13/set Não 17,0 18,4
Todos os valores encontrados se apresentaram abaixo do valor máximo
permitido, pela resolução CONAMA 357/2005.
Figura 23: Perfil de variação de Turbidez.
Comparando-se os resultados das amostras da montante e da jusante
(Figura 23) foi observado, um comportamento semelhante nas curvas das
amostras. Indicando, que nesse período avaliado, não houve contribuição
significativa dos efluentes da cidade de Cruzeiro – SP, na turbidez do Rio Paraíba
do Sul.
Era esperado que nos dias de chuva houvesse uma grande variação nesse
parâmetro, porém devido à seca e as chuvas pouco intensas, esse fato não foi
observado.
68
8.3 - Potencial de Hidrogênio (pH)
Durante o período amostrado, nenhuma das amostras apresentaram
valores de pH acima do valor máximo ou abaixo do mínimo permitido pela
resolução CONAMA 357/2005. Esses valores estão demostrados na Tabela 11.
Tabela 11: Valores de pH.
Montante Jusante
Data Ocorrência de Chuva pH pH
31/mai Não 6,42 6,68
05/jun Sim 6,11 6,24
13/jul Sim 6,02 5,71
03/ago Não 6,44 6,24
09/ago Não 6,31 6,4
17/ago Não 6,14 6,2
30/ago Sim 7,35 7,07
04/set Não 6,2 6,66
13/set Não 6,55 6,49
Figura 24: Perfil de variação de pH.
69
Pela Figura 24 observou-se um comportamento semelhante nas curvas das
amostras da jusante e montante. Indicando que nesse período não houve
variação significativa no pH do Rio Paraíba do Sul.
8.4 - Demanda Bioquímica de Oxigênio
O primeiro parâmetro calculado foi a depleção do branco, dado em função
dos valores de OD obtidos na titulação dos frascos.
(14)
Depleção do branco= ((ODbinicial – ODb1)+ (ODbinicial – ODb2)) / 2
Onde :
ODbinicial = Volume da titulação do frasco de DQO do branco sem incubar.
ODb1= Volume da titulação do frasco de DQO do branco incubado.
ODb2= Volume da titulação do segundo frasco de DQO do branco
incubado.
Os valores encontrados na análise da depleção do branco nas amostras de
DBO estão descritas na Tabela 12.
Tabela 12: Depleção do Branco.
Depleção do Branco Data 31/mai 05/jun 13/jul 20/set
Depleção 2,1 1,9 0,20 0,17
Como os valores das amostras do dia 31/05 e 05/06 apresentaram valores
acima de 0,20 mg/L, as próximas etapas da análise não puderam ser realizadas
pois implicaria em possível desvio de exatidão a metodologia e imprecisão no
resultado final (LIMA, et al, 2006). Esse fato pode ter sido causado pela presença
70
de microrganismos que consumiram parte do oxigênio dissolvido nas amostras, o
que indicaria um potencial de autodepuração dessas amostras.
A depleção do seed foi determinada da seguinte maneira:
(15)
Depleção do seed= ((ODsinicial – ODs1)+ (ODsinicial – ODs2)) / 2
ODsinicial = Volume da titulação do frasco de DQO do seed sem incubar.
ODs1= Volume da titulação do frasco de DQO do seed incubado.
ODs2= Volume da titulação do segundo frasco de DQO do seed incubado.
Este valor não deve superar 1,50 mg/L de O2, o que também implicaria em
possível desvio da exatidão da metodologia (LIMA, et al, 2006). Os resultados da
depleção do seed obtidos foram, (Tabela 13):
Tabela 13: Depleção do Seed.
Depleção do SEED
13/jul 20/set
Vol de Na2S2O3 Vol de Na2S2O3
ODs1 5,8 5,9
ODs2 5,4 5,9
Odsinicial 6,95 7,4
Depleção 1,35 1,5
As DBO5,20ºC das amostras foram calculadas da seguinte forma:
71
(16)
[mg/L O2]= ((ODinicial – ODn)+ (ODinicial – ODn) – depleção do seed) * F
ODinicial = Volume da titulação do frasco de DQO da amostra sem incubar.
ODn= Volume da titulação do frasco de DQO da amostra incubada.
F= fator de correção do padrão secundário de Na2S2O3 0,025 mol/L.
E os resultados encontrados estão nas Tabelas 14, 15 e 16:
Tabela 14: Padronização do Tiossulfato 0,025 eq/L.
Tiossulfato de Sódio 0,025 eq/L
Data 13/jul 20/set
Fator de Correção 1,03958 1,00458
Tabela 15: Valores de Oxigênio Dissolvido Inicial nas amostras de DBO.
Data 13/jul 20/set
OD inicial 6,75 7,25
Tabela 16: Valores das Análises de DBO.
Data 13/jul 20/set
OD final DBO OD final DBO
Frasco 1 2,55 2,96 4,45 1,31
Frasco 2 2,75 2,75 4,45 1,31
Frasco 3 2,50 3,01 4,35 1,41
Média 2,91 1,34
desvio ±0,14 ±0,06
72
Os valores encontrados de DBO para as amostras analisadas estão
coerentes com a legislação abordada nesse trabalho (Tabela 1). O que é um
indicativo positivo em relação à boa qualidade dessas águas, em relação a
contaminações orgânicas e/ou por efluentes domésticos.
8.5 – Análises por Espectrometria de Absorção Atômica
8.5.1 - Validação da metodologia para a análise de metais
Após determinação espectrométrica dos elementos de interesse nas amostras
dopadas de água do Rio Paraíba do Sul obteve-se os resultados apresentados na
Tabela 17.
Tabela 17: Figuras de mérito para validação dos métodos espectrométricos por
absorção atômica com atomização eletrotérmica para a quantificação dos
elementos Hg e Pb em águas superficiais.
Elemento Limite de Quantificação(2) Recuperação
(%)
Linearidade (mg L-1) /
Correlação (R2)
Forno de Grafite
m0(1) (pg)
Hg 25,5(3) 91,4±0,8 0 – 0,05 / 0,975
Pb 28,9 93,6±0,9 0 – 0,1 / 0,997
(1) Concentração característica (2) considerou-se 3 X limite de detecção.
(3) após extração
Através dos resultados da Tabela 17, observa-se que o teste de dopagem e
recuperação variou de 91,4 e a 93,63 % para os elementos mercúrio e chumbo,
respectivamente. Estes valores porcentuais de recuperação mostram boa
exatidão analítica aliada a precisão (baixo desvio com valores < 13 %). Os limites
de quantificação estão coerentes com os dados de literatura (PerkinElmer, 1996),
, mostrando confiabilidade na metodologia analítica para a determinação dos
elementos metálicos por espectrometria com atomização eletrotérmica. A menor
73
correlação da curva analítica do mercúrio pode ter sido influenciada pelas etapas
de extração/pré-concentração.
8.5.2 - Teor de Mercúrio
Das quatro amostras coletadas, em datas diferentes, duas apontaram
valores de concentração de Hg acima do valor máximo permitido (0,0002mg/L)
pela resolução CONAMA 357/2005 (Tabela 18). Indicando que fontes
antropogênicas de mercúrio podem estar interferindo de maneira significativa
sobre a qualidade das águas do Rio Paraíba do Sul.
Tabela 18: Resultados das análises de teor de Hg.
Data Hg (mg/L)
18/set < Limite de detecção
04/set 0,003
17/ago 0,002
09/ago < Limite de detecção
8.5.3 - Teor de Chumbo
Com base nos resultados das análises do teor de Pb (Tabela 19) podemos
afirmar que no trecho em estudo do Rio Paraíba do Sul, os níveis de chumbo
encontrados são baixos e coerentes com o enquadramento desse rio (Classe II).
Tabela 19: Resultados das Análises de teor de Pb.
Data Pb (mg/L)
18/set 0,0026
04/set 0,0029
17/ago 0,0031
09/ago 0,0029
74
9- CONCLUSÕES
9.1 - Sobre a aplicação de técnicas analíticas
Conclui-se que as análises ambientais não se limitam a química
propriamente dita, mas também a áreas diversas que vão desde planejamento de
projeto, gerenciamento de custos, legislação, gerenciamentos de equipamentos e
pessoas, conhecimento teórico e prático, além é claro da gestão de tempo e
otimização de processos. Todos esses fatores são fundamentais para
Engenharia.
9.2 - Sobre a Qualidade das Águas do Rio Paraíba do Sul
Conclui-se que os efluentes da cidade de Cruzeiro – SP teve influência
pouco significativa, no período estudado, para as águas do Rio Paraíba do Sul,
em relação aos parâmetros DQO, pH e turbidez.
Em relação as parâmetros DBO e Pb, as amostras de água do Rio Paraíba
do Sul, na montante, apresentaram valores dentro dos limites da legislação
utilizada como base para esse trabalho.
Porém, nas análises de Hg, duas amostras apresentaram valores acima do
limite máximo permitido. No entanto, devido ao número de análises não podemos
afirmar se é um fato pontual ou não. Portanto para maiores conclusões seria
necessária a continuidade desse monitoramento em um trabalho futuro.
Conclui-se então que para os parâmetros estudados nesse trabalho, a
água do rio Paraíba do Sul apresentou valores aceitáveis e coerentes com sua
classificação, porém sendo necessário um acompanhamento mais rigoroso em
relação aos teores de Hg.
75
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