UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
LORENA INFANTE TEIXEIRA
Curso de Bacharelado em Química Tecnológica da UFMG
DESENVOLVIMENTO DE METODOLOGIA PARA ANÁLISE DE
HIDROCARBONETOS AROMÁTICOS EM QUEROSENE DE AVIAÇÃO
ALTERNATIVO POR GC-MS
Belo Horizonte
2016
ii
LORENA INFANTE TEIXEIRA
DESENVOLVIMENTO DE METODOLOGIA PARA ANÁLISE DE
HIDROCARBONETOS AROMÁTICOS EM QUEROSENE DE AVIAÇÃO
ALTERNATIVO POR GC-MS
Monografia apresentada ao Departamento de Química do Instituto de Ciências Exatas, da Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito para a obtenção do título de Bacharel.
Orientador: Isabel Cristina Pereira Fortes
BELO HORIZONTE
2016
iii
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus por ter me dado força e perseverança durante todo trajeto,
como sempre o fez.
À minha mãe querida e toda família, pelo amor, compreensão e apoio em
todos os momentos da minha vida;
Ao meu namorado, amigo e companheiro, Jamerson, por todo carinho,
paciência e incentivo;
À Profª Isabel, que me orientou e me proporcionou grande aprendizado e
crescimento, não só academicamente, mas também enquanto pessoa;
À Drª Nilva Pereira, que atuou como minha co-orientadora, por sua
incessante ajuda, paciência, suporte e amizade. Foi uma honra trabalhar ao seu lado.
Da mesma maneira, à Rosângela, que não só me ajudou no desenvolvimento deste
trabalho, mas também com conselhos e ensinamentos que levarei para vida toda;
Às professoras Vânya Pasa e Camila Corgozinho pela oportunidade de
integrar a família PRH 46 e pelos inúmeros auxílios durante meu trajeto acadêmico.
Aos meus queridos amigos do PRH 46 Virgínia, Danniel, Gustavo, Vitor,
Werônica, Bárbara, Brenda, Fabi e Cris, o meu afeto e meu muito obrigada!
Aos companheiros de sempre do Departamento de Química, Marcus, Lucas,
Débora, Bernard, Cíntia e Lorena, que fazem parte da minha vida e me ajudaram a
vencer mais essa batalha.
Ao apoio financeiro da Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e
Biocombustíveis – ANP – e do Ministério de Ciência e Tecnologia – MCT – por meio do
Programa de Formação de Recursos Humanos da ANP para o Setor de Petróleo e Gás
– PRH-ANP/MCT.
Sou eternamente grata a vocês!
iv
“Nada na vida deve ser temido, somente
compreendido. Agora é hora de
compreender mais para temer menos”
(Marie Curie)
v
RESUMO
Com o crescimento do setor de Transporte Aéreo, é esperado um grande consumo de querosene de aviação nos próximos anos. Vinculados às preocupações econômicas, políticas e socioambientais, estudos vêm sendo feitos de modo a reduzir os impactos causados pela queima de combustíveis fósseis ou de substituí-los. O querosene de aviação alternativo é um combustível drop-in, isto é, o motor não precisa ser modificado para sua aplicação, e é renovável. Entretanto, para que seja usado como componente de mistura do QAV fóssil, é preciso que ele esteja de acordo com algumas especificações. São inúmeros os parâmetros que devem ser levados em conta. Neste trabalho, foi avaliado o impacto do teor de hidrocarbonetos aromáticos no combustível, uma vez que está intrinsicamente relacionada à qualidade de combustão do QAV. Atualmente, as agências reguladoras da qualidade dos combustíveis, a ASTM e a ANP (Brasil), indicam um procedimento a ser aplicado para este tipo de análise. Entretanto, o procedimento é extremamente laborioso e incompatível com a rotina de um laboratório de prestação de serviços. Assim, o presente trabalho propõe um procedimento analítico isento de preparo de amostra e com o uso de equipamentos comumente encontrados nos laboratórios de análise de combustíveis, o cromatógrafo gasoso acoplado a um espectrômetro de massas. O procedimento foi desenvolvido e validado de acordo com as principais figuras de mérito.
Palavras-chave: Querosene de aviação alternativo; Bioquerosene; SIP; GC-MS; Validação; Hidrocarbonetos aromáticos
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Tendências das emissões de CO2 de 2005 a 2050 ..................... 2
Figura 2 - Linha do tempo do desenvolvimento de biocombustíveis para
aviação ......................................................................................................................... 6
Figura 3 - Estrutura molecular do α- farneseno ........................................... 8
Figura 4 - Estrutura molecular do β-farnesano ............................................ 8
Figura 5 - Esquema da reação de produção de farnesano ......................... 9
Figura 6 - Processo simplificado da produção de farnesano ..................... 10
Figura 7 - Esquema dos componentes do sistema GC-MS ....................... 15
Figura 8 - Esquema dos componentes de um espectrômetro de massas . 16
Figura 9 - Fluxograma esquemático da metodologia desenvolvida ........... 20
Figura 10 - Esquema das dimensões da coluna preparativa ..................... 21
Figura 11 - Montagem da coluna preparativa para separação da amostra 22
Figura 12 - Fluxograma das etapas de eluição da amostra ....................... 23
Figura 13 - Representação de estrutura do pentilbenzeno ....................... 27
Figura 14 - Representação da estrutura do naftaleno ............................... 27
Figura 15 - Representação da estrutura do 1-metilnaftaleno .................... 27
Figura 16 - Representação de estrutura do fenantreno ............................. 27
Figura 17 - Representação da estrutura da benzofenona ......................... 27
Figura 18 - Comparação entre os cromatogramas do SIP destilado e sem
destilar ........................................................................................................................ 37
Figura 19 - TIC dos padrões de hidrocarbonetos aromáticos e seus tempos
de retenção ................................................................................................................. 39
vii
Figura 20 – TIC da mistura de padrões de hidrocarbonetos aromáticos e SIP
................................................................................................................................... 39
Figura 21 -TIC combinado de todos os níveis, conforme a Tabela 3, da curva
analítica matrizada. ..................................................................................................... 45
Figura 22 -Curva analítica matrizada de (a) naftaleno, (b) pentilbenzeno, (c)
metilnaftaleno e (d) fenantreno. .................................................................................. 48
Figura 23 - Curvas analíticas matrizada e em solvente – (a) naftaleno, (b)
pentilbenzeno, (c) metilnaftaleno e (d) fenantreno. ..................................................... 51
Figura 24 – Cromatograma referente à determinação do LQ para o padrão
de menor fator resposta pelo método da relação sinal-ruído....................................... 53
Figura 25 – Cromatograma referente à determinação do LD do padrão de
menor fator resposta pelo método da relação sinal/ruído ............................................ 54
Figura 26 - Curva matrizada para estudo de robustez –(a) naftaleno, (b)
pentilbenzeno, (c) metilnaftaleno e (d) fenantreno ...................................................... 58
Figura 27 - Espectro de massa do padrão benzofenona, com seus
fragmentos característicos e similaridade ................................................................... 72
Figura 28 - - Espectro de massa do padrão fenantreno, com seus
fragmentos característicos e similaridade ................................................................... 72
Figura 29 - - Espectro de massa do padrão metilnaftaleno, com seus
fragmentos característicos e similaridade ................................................................... 73
Figura 30 - Espectro de massa do padrão naftaleno, com seus fragmentos
característicos e similaridade ...................................................................................... 73
Figura 31 - Espectro de massa do padrão pentilbenzeno, com seus
fragmentos característicos e similaridade ................................................................... 74
viii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Limites máximos de adição de querosene de aviação alternativo
em QAV-1 ..................................................................................................................... 6
Tabela 2 - Especificações de composição do Querosene Alternativo SIP 11
Tabela 3 - Preparo das soluções usadas para os níveis das curvas analíticas
de cada padrão ........................................................................................................... 26
Tabela 4 - Soluções usadas para determinação do LD e LQ .................... 32
Tabela 5 - Preparo das soluções usadas para recuperação, precisão
intermediária e robustez ............................................................................................. 33
Tabela 6 - Resultados do ensaio de destilação da amostra SIP ............... 36
Tabela 7 - Recuperação da amostra após segundo experimento de
separação ................................................................................................................... 38
Tabela 8 - Dados cromatográficos e espectrométricos de cada padrão
analisado por GC-MS ................................................................................................. 40
Tabela 9 - Comparação entre procedimentos sem e com adição de PI .... 42
Tabela 10 - Pureza dos padrões e solvente .............................................. 43
Tabela 11 - Concentrações das soluções estoque corrigidas ................... 43
Tabela 12 - Concentrações das soluções de trabalho corrigidas .............. 44
Tabela 13 -Resultados de recuperação obtidos para cada analito, em três
níveis de concentração ............................................................................................... 56
Tabela 14 - Análise da amostra fortificada em método modificado ........... 57
Tabela 15 - Comparação dos resultados obtidos para cada analito em
condições de precisão intermediária. .......................................................................... 60
Tabela 16 - Concentrações teóricas e parâmetros de cada curva analítica
................................................................................................................................... 61
ix
Tabela 17 - Resultados obtidos pela análise de cada analito em curvas
analíticas construídas com diferentes padrões ........................................................... 62
Tabela 18 - Características físico-químicas requeridas e seus respectivos
ensaios ....................................................................................................................... 67
Tabela 19 - Comparação entre o procedimento em solvente e o matrizado
por meio da análise das médias e variâncias das curvas analíticas construídas ......... 71
Tabela 20 - Ensaio de robustez para fluxo de gás de arraste do procedimento
proposto...................................................................................................................... 71
x
LISTA DE ABREVIATURAS
ANP – AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO, GÁS NATURAL E BIOCOMBUSTÍVEIS
ASTM – AMERICAN SOCIETY OF TESTING AND MATERIALS
GC-MS – (sigla em inglês) CROMATOGRAFIA GASOSA ACOPLADA A
ESPECTROMETRIA DE MASSAS (GAS CHROMATOGRAPHY – MASS
SPECTROMETRY)
GC-FID – (sigla em inglês) CROMATOGRAFIA GASOSA COM DETECÇÃO POR
IONIZAÇÃO EM CHAMA (GAS CHROMATOGRAPHY – FLAME IONIZATION
DETECTOR)
GHGs – (sigla em inglês) GASES DO EFEITO ESTUFA (GREEN HOUSE GASES)
HA – HIDROCARBONETOS AROMÁTICOS
IATA – ASSOCIAÇÃO INTERNACIONAL DE TRANSPORTE AÉREO
QAV – QUEROSENE DE AVIAÇÃO
RANP – RESOLUÇÃO DA ANP
SPK – (sigla em inglês) QUEROSENE PARAFÍNICO SINTETIZADO (SYNTHETIC
PARAFFINIC KEROSENE)
FT – FISCHER-TROPSCH
HEFA – (sigla em inglês) ÁCIDOS GRAXOS E ÉSTERES HIDROPROCESSADOS
(HYDROPROCESSED ESTERS AND FATTY ACIDS)
SIP – (sigla em inglês) ISOPARAFINAS SINTETIZADAS (SYNTHETIC
ISOPARAFFINS)
TIC – (sigla em inglês) CROMATOGRAMA DE ÍONS TOTAIS
xi
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ..................................................................................... 1
1.1 Indústria Aeronáutica no Brasil ....................................................... 1
1.2 Querosene de Aviação ................................................................... 3
1.2.1 Propriedades do Querosene de Aviação .................................. 4
1.3 Biocombustíveis Drop-in e Querosene de Aviação Alternativos ...... 5
1.3.1 Tipos de Querosene de aviação alternativos ............................ 6
1.4 Regulamentação e Controle de qualidade .................................... 11
1.5 Análise por Cromatografia Gasosa ............................................... 14
1.5.1 Cromatografia gasosa ............................................................ 14
1.5.2 Espectrometria de massas ..................................................... 16
2 OBJETIVOS ....................................................................................... 18
2.1 Gerais ............................................................................................. 18
2.2 Específicos ................................................................................... 18
3 MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................. 19
3.1 Soluções, reagentes e materiais ................................................... 19
3.2 Amostra ........................................................................................ 19
3.3 Preparo da Amostra ...................................................................... 19
3.4 Metodologia .................................................................................. 19
3.4.1 Análise do teor de hidrocarbonetos aromáticos na amostra, de
acordo com a norma ASTM D24549 .................................................................... 20
3.4.1.1 Análise preliminar ................................................................ 24
xii
3.4.2 Preparo das soluções ............................................................. 24
3.4.3 Análises cromatográficas ....................................................... 26
3.4.3.3 Estimativa da pureza dos padrões e solventes utilizados .... 29
3.4.4 Quantificação dos hidrocarbonetos aromáticos ...................... 29
3.4.5 Validação ............................................................................... 30
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ....................................................... 35
4.1 Destilação da amostra .................................................................. 35
4.2 Análise do teor de hidrocarbonetos aromáticos, de acordo com a
norma ASTM D2549 ................................................................................................ 37
4.2.1 Análise das amostras fortificadas ........................................... 37
4.3 Otimização do método cromatográfico .......................................... 38
4.3.1 Padrão interno ........................................................................ 41
4.3.2 Comparação entre os procedimentos ..................................... 41
4.4 Estimativa da pureza dos padrões e solventes ............................. 42
4.5 Quantificação ................................................................................ 44
4.6 Validação ...................................................................................... 46
4.6.1 Linearidade e faixa linear de trabalho ..................................... 46
4.6.2 Seletividade e efeito de matriz ............................................... 49
4.6.3 Limite de Quantificação (LQ) e Detecção (LD) ....................... 52
4.6.4 Recuperação, Robustez e Precisão Intermediária .................. 55
4.7 Aplicação na quantificação de outros HAs .................................... 61
5 CONCLUSÃO .................................................................................... 64
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................... 65
xiii
7 ANEXOS ............................................................................................ 67
1
1. INTRODUÇÃO
Devido ao constante esforço para redução dos impactos ambientais
causados pelos processos industriais e a diminuição das fontes de combustíveis fósseis
(THEGARID et al., 2014), a produção e o estudo de biocombustíveis têm se tornado
uma área em ascensão. Aliadas a isso, as oscilações dos preços do barril de petróleo
devido a fatores políticos e econômicos (LLAMAS et al., 2012), e as crises históricas
(ARAUJO,2014), se somam às razões para investir em desenvolvimento de fontes
alternativas. Nesse contexto, diversos setores da economia se veem impelidos a investir
em direção a essa nova tendência sustentável e o setor do transporte aéreo não é
diferente (CORTEZ et al., 2013).
1.1 Indústria Aeronáutica no Brasil
Atualmente, a indústria aérea contribui com 2 % das emissões de gases do
efeito estufa (GHGs) gerados pela humanidade e calcula-se que até 2030 chegarão a
um nível de 3 % (CORTEZ et al., 2013, TOOP, et al., 2014). É esperado que o tráfego
aéreo dobre em 11 anos, ao passo que consumo de combustível e emissões de CO2
dobrem em 20 (CHIARAMONTI et al., 2014). Não só CO2, mas também a emissão de
outros GHGs a altas altitudes contribui enormemente para o efeito estufa (GENÇSÜ;
HINO, 2015). Além disso, os custos operacionais das linhas aéreas estão estritamente
ligados ao consumo de combustíveis, que configura cerca de 30% dos gastos totais
(CHIARAMONTI et al., 2014). A Figura 1 apresenta um panorama do crescimento
esperado do mercado e consequências ambientais das melhorias tecnológicas,
incluindo aplicação em combustíveis alternativos.
2
Figura 1 - Tendências das emissões de CO2 de 2005 a 2050
Fontes: Adaptado de ICAO, 2013 – Environmental Report.
Disponível em: http://cfapp.icao.int/Environmental-Report-2013/files/assets/basic-html/index.html#24
Em 2013, a Associação Internacional de Transporte Aéreo (IATA), devido
ao rápido crescimento do setor no Brasil, já estimava que o país se tornaria o 4º maior
mercado de tráfego aéreo em 2014. A demanda por querosene de aviação em 2011 foi
de cerca de 2,8% da demanda global, tendo 75% do consumo suprido por refinarias
nacionais e o restante importado (CORTEZ et al., 2013).
Uma das soluções prospectadas para alcançar as metas ambientais
estabelecidas é a produção e otimização do uso de biomassas, visando gerar
combustíveis passíveis de serem usados em substituição ou em blendas com os de
origem fóssil. Existem, entretanto, discussões sobre a possível competição por terra
cultivável entre fins alimentícios e/ou para as matérias-primas envolvidas no processo.
Contudo, de acordo com o Relatório Plano de Voo de 2013 (CORTEZ et al., 2013), o
Brasil apresenta-se como exemplo mundial de conciliação entre os dois gêneros,
utilizando somente 7% de sua terra para agricultura. Atesta-se ainda que há terra em
abundância para desenvolvimento de bioenergia, necessitando apenas de um aumento
da produtividade agrícola (CORTEZ et al., 2013). A macaúba e o pinhão-manso são
exemplos do desenvolvimento sustentável nesse sentido, isto é, são empregados na
produção de biodiesel, sem prejudicar a agricultura alimentar, por não serem
comestíveis. (PERLINGEIRO, 2014).
3
Dessa forma, e em vista da constante pressão das agências ambientais
reguladoras (LLAMAS et al., 2012; THEGARID et al., 2014), empresas como Boeing e
Embraer, na condição de líderes do mercado (CORTEZ et al., 2013), se lançaram em
projetos voltados para aplicação de combustíveis a base de biomassa, em detrimento
dos de origem fóssil. A plataforma mineira de bioquerosene, uma iniciativa do Governo
de Minas Gerais, também figura como uma forma de incentivar o setor.
Além de reduzir as emissões, a diversificação de combustíveis gera
independência do setor de transporte aéreo em relação às oscilações de preços do QAV
a longo prazo (GENÇSÜ; HINO, 2015), empregos e movimentação econômica e
tecnológica do mercado (CORTEZ et al., 2013).
1.2 Querosene de Aviação
O combustível empregado no transporte aéreo é majoritariamente o
Querosene de Aviação (QAV), por apresentar propriedades e características
adequadas, Tabela 18, às exigências de segurança e desempenho dos motores
aeronáuticos (ARAUJO,2014; PETROBRAS, 2014).
Se trata de um derivado da destilação do Petróleo, na faixa de 150°C a
300°C, composto por moléculas de 9 a 15 carbonos. Seus principais compostos são
hidrocarbonetos parafínicos e aromáticos (PETROBRAS, 2014). Apresenta energia
específica de 42,8 MJ/kg e 34,7 MJ/L de densidade energética (ARAUJO,2014).
No Brasil, o Querosene de aviação utilizado é o QAV-1, correspondendo
internacionalmente ao JET A-1. As principais categorias de QAV são:
Jet A-1: Utilizado na aviação comercial da Europa e Brasil, possui ponto de
congelamento abaixo de -47°C (ARAUJO,2014);
Jet A: Utilizado na aviação comercial dos EUA, apresentando ponto de
congelamento abaixo de -40°C;
QAV-5: de uso militar no Brasil, semelhante ao QAV-1, diferindo apenas na
menor concentração de componentes leves (PETROBRAS, 2014);
Querosene de Aviação Alternativo: derivado de biomassa, carvão ou gás natural,
para uso em turbinas aeronáuticas (RANP 63);
4
Querosene de Aviação B-X (QAV B-X): composto de QAV-1 misturado com
apenas um tipo de Querosene alternativo, no qual X representa a porcentagem
em volume de deste na mistura. (RANP 63)
1.2.1 Propriedades do Querosene de Aviação
O combustível para ser utilizado na aviação deve atender a certas
exigências de qualidade. Dessa forma, o QAV deve (PETROBRAS, 2014):
Proporcionar autonomia de voo;
Queimar de forma limpa e completa, de modo a minimizar a geração de
resíduos;
Proporcionar partidas fáceis e seguras, além de possibilitar o reacendimento;
Ser estável química e termicamente;
Ter produção mínima de cinzas e resíduos;
Escoar em baixas temperaturas;
Não ser corrosivo aos materiais das turbinas;
Ter baixa solubilidade em água;
Apresentar aspecto límpido, sem sedimentos;
Não apresentar água livre, impedindo crescimento de microrganismos e
depósitos;
Oferecer segurança no manuseio e armazenagem.
Além desses requerimentos, o combustível deve apresentar certas propriedades físico-
químicas para se adequar ao uso. No Brasil, a ANP determina quais análises devem ser
feitas para cada tipo de QAV e quais os limites aceitáveis para cada parâmetro. A Tabela
18 traz tais dados.
Em vista de tão restritas demandas (PETROBRAS, 2014), torna-se
imperativo o uso dos chamados biocombustíveis “drop-in” como alternativa energética.
5
1.3 Biocombustíveis Drop-in e Querosene de Aviação
Alternativos
As especificações dos combustíveis alternativos para a aviação deve
simultaneamente atender requisitos de produção, aplicação em turbinas e ambientais.
Ademais, devido à globalização da demanda e padrões de segurança, o uso de
biocombustíveis “drop-in” se torna imprescindível.
O termo “drop-in” se refere a combustíveis alternativos que, quando
misturados ao combustível fóssil em quantidade de acordo com a especificação vigente
(CORTEZ et al., 2013), atendem as características necessárias para ser aplicado na
mesma situação. Podem substituir parcialmente o respectivo de origem fóssil, sem
necessidade de modificações mecânicas ou estruturais dos motores, além de permitir o
uso das mesmas redes de distribuição e estocagem, por serem quimicamente
semelhantes aos seus respectivos de origem fóssil (SOUSA, 2016).
Apesar de também produzirem CO2 em sua combustão, os biocombustíveis
ainda assim se mostram ambientalmente mais favoráveis. Isso se deve ao seu ciclo
produtivo, que já contabiliza as emissões no próprio crescimento das plantas
(ARAUJO,2014). Algumas empresas aéreas como Air New Zealand e Continental
Airlines já realizaram voos experimentais utilizando QAV B-X e os resultados obtidos
indicaram serem adequados e em alguns casos até 80% mais eficientes, em termos de
emissões (ATAG, 2009; ARAUJO, 2014).
No caso da aviação, o combustível “drop-in” empregado é o querosene de
aviação alternativo, ou bioquerosene. De acordo com a Resolução ANP n°63 (RANP
63), o bioquerosene de aviação define-se como substância derivada de biomassa que
pode ser usada em motores aeronáuticos e que pode ser utilizada para substituir total
ou parcialmente o querosene de origem fóssil (QAV).
Atualmente, a agência nacional do petróleo, gás natural e biocombustíveis
(ANP) reconhece três tipos do combustível: O querosene parafínico produzido pelo
processo Fischer-Tropsch (SPK-FT); o querosene parafínico sintetizado por ácido
graxos e ésteres hidroprocessados (SPK-HEFA) e isoparafinas sintetizadas (SIP)
(RANP 63). Entretanto, a ASTM recentemente publicou uma nova categoria, o
6
querosene parafínico derivado da alquilação de aromáticos leves (SPK/A) (ASTM
D7566, 2015).
A Figura 2 representa a linha do tempo do desenvolvimento dos
combustíveis de aviação alternativos até 2015.
Figura 2 - Linha do tempo do desenvolvimento de biocombustíveis para aviação
Fonte: IATA report 2015 - Adaptada
Disponível em: http://www.iata.org/publications/Documents/2015-report-alternative-fuels.pdf
1.3.1 Tipos de Querosene de aviação alternativos
Existem no Brasil atualmente três formas reconhecidas pela ANP de
Querosene de Aviação Alternativo. A RANP 63 determina os limites de quantidade
adicionada de cada tipo na mistura com o QAV-1. A Tabela 1 delimita as especificações
para cada tipo:
Tabela 1 - Limites máximos de adição de querosene de aviação alternativo em QAV-1
Tipo de querosene
aviação Alternativo
Limite máximo
(% v/v) FT 50
HEFA 50
SIP 10
Fonte: RANP 63
7
O objetivo deste trabalho é a análise das iso-parafinas sintetizadas (SIP).
Dessa forma, serão citados brevemente os outros tipos de querosene de aviação
alternativo.
1.3.1.1 Querosene parafínico sintetizado por Fischer-Tropsch (SPK-
FT, em inglês)
Hidrocarbonetos produzidos a partir da conversão catalítica de gás de
síntese (CO e H2) (KANDARAMATH et al., 2015). Uma extensa gama de matérias-
primas para biomassa pode ser utilizada na produção desse gás. O processo de
produção é conhecido como conversão direta, ou liquefação, e, dependendo da matéria-
prima utilizada, pode ser intitulado como “qualquer coisa a líquido” (XtL, em inglês), onde
“X” pode ser “C” (carvão), “G” (gás) ou “B” (biomassa) (BLAKEY et al., 2011).
1.3.1.2 Querosene parafínico sintetizado por ácidos graxos e ésteres
hidroprocessados (SPK-HEFA, em inglês)
Geralmente, líquidos parafínicos de formula química CnH2n+2. São
produzidos por hidrooxigenação de óleos vegetais, gorduras animais, graxas residuais,
algas e bio-óleos, apresentando como propano e água como subprodutos do processo
(KANDARAMATH et al., 2015). A maior vantagem deste combustível é a redução da
emissão de GHGs, como monóxido de carbono, hidrocarbonetos, óxidos de nitrogênio
e matéria particulada (BLAKEY et al., 2011).
1.3.1.3 Isoparafinas sintetizadas (SIP, em inglês)
De acordo com a norma ASTM D7566-15 - Standard Specification for
Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons – esse biocombustível
pode ser definido como componente de mistura sintético, composto essencialmente por
iso-parafinas.
8
Para sua produção, ocorre a conversão direta de açúcar em farneseno,
conforme ilustrado na Figura 3, que é então convertido em vários produtos, incluindo
biocombustíveis de aviação, como por exemplo o farnesano, representado na Figura 4
(CHIARAMONTI et al., 2014).
Figura 3 - Estrutura molecular do α- farneseno
Fonte: Elaborada pela autora
Figura 4 - Estrutura molecular do β-farnesano
Fonte: Elaborada pela autora
9
O farneseno é um sesquiterpeno que ocorre naturalmente na forma de dois
isômeros: α-farneseno (3,7,11- trimetil-1,3,6,10-dodecatetraeno) e o β-farneseno (7,11-
dimetil-3-metileno-1,6,10-dodecatrieno), podendo ser encontrado em óleos essenciais
e feromônios de insetos (BELLER, et al., 2015). Industrialmente, é produzido pela
fermentação microbiológica de açúcares, provenientes de fontes como cana-de-açúcar,
materiais lignocelulósicos, entre outros (PERLINGEIRO, 2014). Após este processo, ele
sofre uma série de operações de purificação. Em seguida, é processado para conversão
em farnesano, que é o principal componente do SIP, como esquematizado na Figura 5.
Figura 5 - Esquema da reação de produção de farnesano
Fonte: AMYRIS-TOTAL report - http://www.icao.int/Meetings/EnvironmentalWorkshops/Documents/2014-
GreenTechnology/7_Garcia-Marchand_TOTAL.pdf
O composto é um 2,6,10- trimetildodecano, produto da conversão do
farneseno por meio de operações de hidroprocessamento e fracionamento, como na
Figura 6, que lhe conferem alto grau de qualidade para uso em turbinas aeronáuticas
(AMYRIS-TOTAL).
10
Figura 6 - Processo simplificado da produção de farnesano
Fonte: AMYRIS-TOTAL report - http://www.icao.int/Meetings/EnvironmentalWorkshops/Documents/2014-
GreenTechnology/7_Garcia-Marchand_TOTAL.pdf
Apesar de ser produzido com alta pureza, o processo de produção do
farneseno não é 100% seletivo. Assim, mesmo após as etapas de purificação, ainda
restam subprodutos de propriedades similares que seguem para a hidrogenação.
Durante o processo, esses compostos podem reagir, gerando, por exemplo, uma
pequena quantidade de hidrocarbonetos aromáticos.
Já empregado como combustível drop-in do diesel fóssil na faixa de 35%
por ter número de cetano similar (farnesano 58 e diesel na faixa de 40 a 60) (BELLER,
et al., 2015), o farnesano começou a ser estudado e produzido em alta pureza para ser
a utilizado como combustível aeronáutico. Tal interesse se originou também de algumas
características favoráveis para o uso no setor, como suas propriedades adequadas a
baixas temperaturas (BELLER, et al., 2015).
11
1.4 Regulamentação e Controle de qualidade
Em virtude das condições extremas a que são expostos, como temperaturas
muito baixas, e a gravidade das consequências no caso de falhas, os combustíveis
empregados na aviação devem passar por constante controle e fiscalização. Para isso,
existem normas e especificações que regulam esse tipo de produto, registradas no
Brasil pela Resolução ANP nº63, de 5.12.2014 – dou 8.12.2014 (RANP63), que se
baseia na norma americana ASTM D7566.
A ANP é agência reguladora dos combustíveis e biocombustíveis no Brasil.
Para cada tipo, existe um conjunto de regras e práticas que devem ser aplicadas, desde
a produção e comercialização, até o controle de qualidade e fiscalização.
A determinação das características de qualidade dos querosenes de
aviação alternativos é feita mediante emprego de normas ASTM, enquanto das misturas
entre estes e o querosene de aviação fóssil emprega normas como ASTM e ABNT.
Para o querosene alternativo SIP, foco do presente trabalho, são tabeladas
diversas especificações, as normas que devem ser empregadas e os limites aceitáveis
para cada parâmetro. Na Tabela 2 a seguir constam as especificações de composição
das SIP, retiradas da RANP 63 de 2014.
Tabela 2 - Especificações de composição do Querosene Alternativo SIP
CARACTERÍSTICA UNIDADE LIMITE
MÉTODO
ABNT NBR
IP ASTM
COMPOSIÇÃO
Acidez total, máx. mg KOH/g 0,015 - 354 D3242
Hidrocarbonetos saturados, mín.
% (m/m) 98 - X001
Farnesano, mín. % (m/m) 97 - X001
Hexahidroxifarnesol, máx. % (m/m) 1,5 - X001
Olefinas, máx. mgBr2/100
g 300 - 299 D2710
Aromáticos, máx. % (m/m) 0,5 - D2425
Carbono e hidrogênio, mín. % (m/m) 99,5 - D5291
Nitrogênio, máx. mg/kg 2 - 379 D4629
Água, máx. mg/kg 75 - 438 D6304
12
Enxofre, máx. mg/kg 2 -
D5453
- D2622
Metais (Al, Ca, Co, Cr, Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P,
Pb, Pd, Pt, Sn, Sr, Ti, V e Zn), máx.
ppm 0,1 por metal
- UOP389
Halogênios, máx. mg/kg 1 por
halogênio - D7359
Fonte: RANP 63
1.4.1 Comparação entre a norma brasileira e americana
Conforme citado anteriormente, a norma Americana ASTM D7566-15
reconhece quatro tipos de querosene de aviação alternativo. Entretanto, a resolução
Brasileira ainda não foi atualizada, incluindo o tipo SPK/A, Querosene parafínico
derivado da alquilação de aromáticos leves (SPK/A). Este difere do tipo SPK-FT por
possuir conteúdo intencionalmente maior de hidrocarbonetos aromáticos leves
(principalmente benzeno) (ASTM D7566, 2015).
Ambas as resoluções especificam que a norma ASTM D2425 – Test Method
for Hydrocarbons Types in Middle Distillates by Mass Spectrometry - seja usada
também para determinação de outros tipos de hidrocarbonetos, como cicloparafinas,
parafinas e aromáticos nos tipos FT, HEFA e SPK/A. (ASTM D7566, 2015), enquanto,
para o tipo SIP, seja apenas empregada para análise de aromáticos.
Quanto às especificações de composição das SIP, ambas as agências
acordam quanto às normas aplicáveis. É válido pontuar que a Tabela 2, oriunda da
RANP 63, foi formulada em 2014, antes da revisão de 2015 da ASTM D7566. Dessa
forma, onde se encontra norma ASTM X001, isto é, ainda estava sob avaliação,
atualmente corresponde à norma ASTM 7974.
13
1.4.2 Teor de Hidrocarbonetos Aromáticos
Um importante parâmetro de qualidade de um combustível é a sua
composição em termos de hidrocarbonetos, uma vez que a qualidade de combustão do
querosene de aviação está estreitamente relacionada a ela. Mais especificamente,
produtos com altas taxas de hidrocarbonetos aromáticos tem combustão prejudicada e
maior produção de fumaça durante o processo de queima (BERNABEI et al., 2003).
A presença de hidrocarbonetos aromáticos, em especial policíclicos,
também está diretamente ligada aos produtos causadores de poluição atmosférica
(BERNABEI et al., 2003), o que sucita não só questões econômicas e produtivas com
relação a produção de biocombustíveis, mas também ambientais.
Atualmente no Brasil, tem-se a comercialização de apenas um tipo de
querosene de aviação alternativo, o SIP. De acordo com a ANP, a norma ASTM D2425
deve ser aplicada para avaliação do teor de hidrocarbonetos aromáticos para esse
produto, tendo um limite máximo de 0,5% m/m.
1.4.2.1 Análise pela ASTM D2425-04
A norma ASTM D2425-04 determina a composição de hidrocarbonetos
primeiramente separando-os e em seguida analisando-os em um espectrômetro de
massas. A análise se baseia no somatório dos fragmentos de relação massa/carga
característicos para cada classe de composto, que pode estar presente no combustível,
visando a determinação de suas respectivas concentrações no produto final. Onze tipos
de hidrocarbonetos podem ser analisados, incluindo: parafinas, cicloparafinas não-
condensadas, dicicloparafinas condensadas, tricicloparafinas condensadas,
alquilbenzenos, indanos ou tetralinas, indenos, naftalenos, acenaftenos, acenaftilenos
e aromáticos tricíclicos. (ASTM D2425)
Apesar da determinação da agência, a norma ASTM D2425 tem aplicação
pouco prática. Exige do laboratório equipamentos específicos, como espectrômetro de
massas com injeção direta. Além disso, o preparo de amostra indicado se refere à norma
ASTM D2549 (ASTM D2549, 2014), na qual o produto é separado por meio de
14
cromatografia líquida clássica, procedimento extremamente laborioso e pouco
reprodutível.
1.4.2.2 Determinação direta
O presente trabalho propõe uma metodologia simplificada, sem preparo de
amostra, na qual a amostra é inserida diretamente no sistema cromatográfico, acoplado
à detecção por espectrometria de massas.
A aplicação deste tipo de análise confere menor risco de contaminações e
perdas em relação ao preparo por cromatografia líquida clássica, na qual o processo de
separação e eluição das frações é difícil de controlar quantitativamente.
Conta também com maior agilidade, praticidade e relação custo-benefício,
uma vez que otimiza o tempo de trabalho do analista, tornando interessante para
laboratórios de rotina. Outro aspecto observado é uma maior reprodutibilidade, pela
diminuição de etapas dependentes da interferência humana.
Para o procedimento proposto, foi utilizado um cromatógrafo gasoso
acoplado ao espectrômetro de massas, aumentando o campo de aplicação da
metodologia. Além disso, o emprego de tal técnica analítica já é difundido na área de
combustíveis, com diversos estudos e documentos que especificam seu uso (ARAUJO,
2014; IP 406, D7974, DIAS, 2010).
1.5 Análise por Cromatografia Gasosa
1.5.1 Cromatografia gasosa
A Cromatografia é um método físico-químico de separação dos
componentes de uma mistura, pela distribuição desses entre duas fases, a móvel e a
estacionária. De acordo com afinidade seletiva dos compostos a uma fase ou outra, a
separação ocorre por migração diferencial. (COLLINS, 2006)
15
No caso da cromatografia gasosa (GC), um gás inerte é utilizado como fase
móvel e o fenômeno de distribuição pode ser devido a adsorção ou partição, a depender
do tipo de fase estacionária, respectivamente sólida ou líquida. Neste tipo de
cromatografia, a migração entre uma fase e outra ocorre principalmente por diferença
de pressão de vapor entre os compostos. Assim, a temperatura e o fluxo de gás inerte,
bem como a composição da fase estacionária, têm papel primordial na velocidade e
ordem de eluição das substâncias.
As fases estacionárias estão contidas em longas colunas capilares,
fornecendo à análise maior resolução e sensibilidade, apesar de comportar menores
volumes de amostra em comparação às empacotadas (COLLINS, 2006).
A aplicabilidade da técnica depende principalmente da volatilidade
característica das substâncias. Estas devem ser voláteis e termicamente estáveis. Caso
contrário, a análise só se torna possível mediante um tratamento prévio, no qual a
amostra se transforma em um composto volátil, chamado derivatização (COLLINS,
2006).
A Figura 7 esquematiza os componentes do sistema de cromatografia
gasosa acoplada a espectrometria de massas.
Figura 7 - Esquema dos componentes do sistema GC-MS
Fonte: PILÓ-VELOSO, 2008
16
A análise de combustíveis por GC é amplamente empregada e catalogada
(DIAS, 2010; ARAUJO, 2014; BERNABEI et al., 2003), facilitando a identificação dos
compostos principais, por exemplo por meio das séries homólogas dos hidrocarbonetos.
1.5.2 Espectrometria de massas
A espectrometria de massas (MS) é uma técnica analítica na qual espécies
químicas de uma amostra são convertidas em íons em fase gasosa, sendo
subsequentemente separados por diferença da razão de sua massa e carga (m/z)
(WILSON, WALKER,2010). De forma simplificada, um espectrômetro de massas pode
ser representado na Figura 8:
Figura 8 - Esquema dos componentes de um espectrômetro de massas
No caso do acoplamento GC/MS, a entrada no MS se dá pela corrente de
saída do GC. Enquanto o GC opera a pressão ambiente, o MS necessita de alto vácuo
(10-5 a 10-8 Pa) para operar. Isso se deve ao fato de que moléculas da atmosfera
poderiam ser ionizadas, no lugar das de interesse. Para sanar o problema, uma interface
é colocada entre os equipamentos, que faz a transição da pressão atmosférica para o
vácuo do detector.
No caso de impacto por elétrons (EI), as espécies são atingidas por elétrons,
oriundos de filamentos aquecidos, acelerados por um potencial de 70 eV. Ao serem
atingidas, seus elétrons são removidos e são fragmentadas, produzindo fragmentos
eletricamente carregados.
Após a fragmentação, placas repulsoras aplicam um pequeno potencial que
forçam a entrada dos fragmentos no analisador de massas. Nesse estágio, ocorre a
17
separação pela relação m/z de cada fragmento. Um tipo comum de analisador é o
quadrupolo, onde a separação ocorre devido à presença de campos de
radiofrequências, que permite a passagem de apenas certos tipos de fragmentos, de
acordo com seus m/z (DIAS, 2010).
Apesar de apresentar baixa resolução, o quadrupolo é o analisador mais
empregado, por fornecer resultados satisfatórios para a maioria das aplicações, por um
custo menor, quando comparação aos outros tipos.
A hifenização entre GC-MS é bastante comum, por ser capaz de separar
misturas complexas, produzindo frações puras da amostra, com identificação confiável
de cada componente, por meio de seus fragmentos característicos. A cromatografia sem
esse tipo de detecção se torna extremamente difícil, dependendo do conhecimento da
amostra e análise de padrões nas mesmas condições, pois a interpretação por meio dos
tempos de retenção é bastante falha.
A espectrometria de massas por impacto de elétrons é uma técnica de
identificação bastante poderosa e uma das mais comumente aplicadas. Isso deve ao
fato de ser a única que possui uma base de dados para comparação dos espectros
analisados. Dessa forma, por meio de um software que avalia a similaridade dos
espectros de fragmentos obtidos, é possível identificar um analito desconhecido.
Algumas das bibliotecas utilizadas pertencem ao banco de dados do NIST e WILEY,
entre outras.
18
2 OBJETIVOS
2.1 Gerais
Desenvolver e validar uma metodologia para análise de hidrocarbonetos
aromáticos em amostras de isoparafinas sintetizadas (Querosene de Aviação
Alternativo SIP), utilizada na mistura com Querosene de Aviação (QAV).
2.2 Específicos
Reproduzir conforme a norma ASTM D2549 a separação da fração de
hidrocarbonetos aromáticos em Querosene de Aviação Alternativo SIP;
Desenvolver um procedimento similar à norma ASTM D2425 para determinação
e quantificação dos hidrocarbonetos aromáticos para este tipo de amostra;
Validar o procedimento analítico, considerando: curva analítica, linearidade,
limite de quantificação, limite de detecção, precisão intermediária, recuperação
e robustez;
Avaliar o efeito de matriz, oriundo da matriz de farnesano na amostra.
19
3 MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 Soluções, reagentes e materiais
Para preparo das soluções, todos os fracos de armazenagem, vials e balões
volumétricos foram lavados com detergente alcalino e água deionizada, seguidos de
álcool etílico para limpeza, a fim de facilitar a secagem das vidrarias.
3.2 Amostra
Para realização deste trabalho, foi utilizada uma amostra de querosene de
aviação alternativo do tipo isoparafinas sintetizadas (SIP) – farnesano, produzido em
outubro de 2015 pela empresa AMYRIS, de lote 234 e identificação 657/15
3.3 Preparo da Amostra
Inicialmente, a amostra foi destilada de acordo com a norma ASTM D86 –
G4. O processo ocorreu até a temperatura de 400°C, sendo recuperados 98% em
volume ao término. O ensaio foi realizado no Laboratório de Ensaios de Combustíveis
da UFMG (LEC-UFMG).
3.4 Metodologia
Após o preparo da amostra foram seguidas as seguintes etapas: análise
do teor de hidrocarbonetos aromáticos; otimização do método cromatográfico;
determinação da pureza dos padrões e solventes, quantificação de
hidrocarbonetos aromáticos e ensaios de validação. O fluxograma representado na
Figura 9 abaixo esquematiza o processo:
20
Figura 9 - Fluxograma esquemático da metodologia desenvolvida
Fonte: Elaborada pela autora
3.4.1 Análise do teor de hidrocarbonetos aromáticos na amostra, de acordo com a norma ASTM D24549
A separação das frações de hidrocarbonetos aromáticos e não-aromáticos
da amostra foi realizada em coluna preparativa, por cromatografia líquida clássica,
utilizando bauxita e sílica-gel de alta pureza (poros de 30 Å, 100-200# - Sigma-Aldrich
– Lote BCBP0067V) como fases estacionárias. No processo de eluição, foram
empregados n-pentano de pureza >99% (Sigma-Aldrich, série 34956-1L – Lote
SHBF6116V); éter etílico PA, pureza >99% (Vetec -Cód.V00185); clorofórmio UV/HPLC,
pureza >99% (Dinâmica – Lote 69227) e álcool etílico, pureza >99,5% (Sigma-Aldrich –
Lote SHBF6759V).
Confecção da coluna – A coluna cromatográfica foi confeccionada de acordo
com a norma ASTM D2549, com dimensões adequadas para a introdução de 2 g de
amostra, de acordo com a Figura 10.
21
Figura 10 - Esquema das dimensões da coluna preparativa
Fonte: ASTM D2549 – adaptada pela autora
Amostras – A análise foi realizada três vezes: a primeira teve por intenção
verificar a quantidade de hidrocarbonetos aromáticos presentes na amostra pura
destilada.
A segunda e a terceira foram realizadas com a amostra fortificada com a
solução da mistura de padrões de hidrocarbonetos aromáticos, sem adicionar padrão
interno antes da separação cromatográfica. Para isso, 250 µL de solução estoque da
mistura a 5% m/m foram adicionados à amostra destilada, para um volume final de
solução de 10 mL (concentração final de 0,125% m/m de cada padrão). Estas duas
últimas objetivaram avaliar a eficiência e recuperação do método, frente à concentração
teórica adicionada. Nessas amostras, após a separação, foi adicionada a solução de
padrão interno 5% m/m, como explicado no tópico a seguir.
Separação da amostra (ASTM D2549) – A coluna cromatográfica foi
empacotada a seco com sílica gel e bauxita ativada, até suas respectivas marcações,
determinadas pela norma ASTM D2549. A Figura 11 mostra como foi feita a montagem
do sistema.
22
Figura 11 - Montagem da coluna preparativa para separação da amostra
Fonte: elaborada pela autora
Em seguida, a fase estacionária foi umedecida com 10 mL de n-pentano e
então a solução de 2 g de bioquerosene SIP, dissolvida em 10 mL de n-pentano, foi
adicionada à coluna. Após transferir quantitativamente a amostra para o sistema, foram
vertidos mais 35 mL de n-Pentano. Foi aplicada pressão no sistema durante todo
processo. Para isso, foi empregada uma bomba compressora Fisatom 825T.
Quando o nível de líquido chegou na fase da bauxita, foram adicionados 80
mL de éter etílico. Após coleta de 50 mL de n-pentano, o frasco receptor foi trocado para
recolher a próxima fase. Posteriormente ao nível de éter atingir a fase da bauxita, 100
mL de clorofórmio foram adicionados ao topo da coluna. Terminado o recolhimento de
cerca de 80 mL de eluato, mais uma vez foi trocado o frasco receptor.
Novamente, antes do topo da fase estacionária secar, foram adicionados 75
mL de álcool etílico, recolhendo-se em seguida a frações de clorofórmio e etanol
conjuntamente. Foi aplicada pressão sobre o sistema durante todo processo de eluição,
sendo o fluxo constantemente mantido em aproximadamente 1 mL/min.
Ao término do processo, foram obtidas 3 frações de eluato: Fração n-
pentano; fração éter etílico e fração clorofórmio-etanol. A fração de éter foi adicionada
ao frasco da fração de clorofórmio-etanol, após esta última ter tido os solventes secos
23
sob jato de ar comprimido e aquecimento em banho de vapor Marconi MA156. Em
seguida, a solução resultante foi seca da mesma forma. A fração de n-pentano,
entretanto, teve a fase solvente seca individualmente e foi armazenada em um vial
âmbar para posterior análise.
A fração de eluato resultante da mistura entre as frações éter-clorofórmio-
etanol, já com solventes removidos, foi adicionada quantitativamente para um vial de 4
mL. Em seguida, foram adicionados 100 µL de solução padrão de benzofenona a 5%
(padrão interno) e, com o auxílio de uma balança, uma quantidade de n-heptano
suficiente para completar a massa da solução para 2 g foi acrescentada. O restante da
fração de n-pentano foi analisado da mesma maneira.
O fluxograma da Figura 12 esquematiza todas as etapas da separação da
amostra de acordo com a norma ASTM D2549:
Figura 12 - Fluxograma das etapas de eluição da amostra
Fonte: Elaborado pela autora
24
3.4.1.1 Análise preliminar
Primeiramente, foi separada a amostra destilada por uma coluna
preparativa, conforme especificado na norma ASTM D2549. Após recolher as devidas
frações de cada solvente, cada uma foi injetada no sistema GC-MS e analisada, com o
propósito de avaliar o conteúdo de hidrocarbonetos aromáticos presentes.
Como não foi observada presença dos compostos em nenhuma das fases,
indicando ausência ou presença de quantidade menor que a detectável pela técnica,
optou-se pela fortificação da amostra com uma mistura de padrões de hidrocarbonetos
aromáticos, para avaliação do procedimento analítico.
3.4.2 Preparo das soluções
A determinação e quantificação de hidrocarbonetos aromáticos na amostra
foram realizadas pelo método da curva analítica com padronização externa e interna.
Para tanto, foram empregados cinco padrões desta classe, a saber: naftaleno (Merck,
art.6200); pentilbenzeno (Fluka 77078-5mL – Lote BCBK6005V); fenantreno; 1-
Metilnaftaleno e benzofenona (Merck, art.801801), usada como padrão interno. O
solvente empregado para o preparo das soluções estoque e das soluções trabalho da
curva construída em solvente foi o heptano (Sigma Aldrich 276654-1L). Para construir a
curva analítica matrizada, foi empregada a amostra destilada de SIP como diluente dos
diferentes níveis de concentração preparados. Além disso, todas as amostras utilizadas
no processo de validação empregaram soluções preparadas na matriz amostral.
3.4.2.1 Soluções estoques individuais de cada padrão
Foi preparada uma solução estoque com concentração de 5 % m/m, para
cada padrão de hidrocarboneto aromático, sendo pesados 0,1 g de padrão para 2 g de
solução em heptano. A partir destas, foram preparadas soluções de 0,5 % m/m de cada
padrão separadamente (50 µL de solução foram diluídos em 450 µL de heptano). Para
a pesagem dos padrões e preparo das soluções foi utilizada uma balança analítica
SHIMADZU, modelo AY220, com precisão de ± 0,1mg.
25
Diferentemente, para a benzofenona foi preparada um volume de 25 mL da
solução de concentração 5 % m/v, sendo pesados 1,25 g de padrão e completando-se
o volume com heptano, seguido de intensa agitação. Esta solução foi utilizada nas
etapas posteriores para adicionar padrão interno em todas as soluções. A fim de avaliar
sua resposta cromatográfica, foram transferidos 5 mL de sua solução de concentração
5 % m/v para um balão de 100 mL, resultando em uma solução de 0,25% m/v.
3.4.2.2 Soluções estoque da mistura dos padrões
Duas soluções da mistura dos padrões foram preparadas, a fim de avaliar a
co-eluição dos compostos e usar como solução trabalho nas etapas subsequentes.
Uma solução da mistura dos padrões com concentração 0,05 % m/m de
cada foi preparada, pipetando 50 µL de solução de cada padrão a 0,5 % m/m para um
volume final de 500 µL em heptano.
Além disso, uma solução estoque contendo a mistura de padrões foi
preparada na concentração de 5% m/m de cada padrão em um balão de 25 mL. Para
isso, foram pesados cerca de 1,25 g de cada padrão, considerando a pureza de cada
um. Em seguida, o heptano foi adicionado aos poucos com posterior agitação a 3400
rpm da solução em equipamento Vortex da Labnet, até o volume do balão ser
completado.
3.4.2.3 Soluções utilizadas na construção das curvas analíticas
Para a determinação e quantificação dos hidrocarbonetos aromáticos
presentes na amostra, foi empregada o método da curva analítica com padronização
externa e interna. Os níveis de concentração utilizados nas curvas se encontram
apresentados na Tabela 3. Foram preparados a partir da diluição da solução estoque
da mistura de padrões a 5% m/m em heptano, no caso da curva em solvente, e na matriz
amostra, para a curva matrizada. Uma mesma quantidade de solução de padrão interno
5% m/v foi adicionada a todos os níveis, em ambas as curvas.
26
Tabela 3 - Preparo das soluções usadas para os níveis das curvas analíticas de cada padrão
Padrão Aromático Concentração
teórica (% m/m)
Volume Pipetado da SE
5% m/m (µL)
Volume Final (mL)
Volume –PI 5% m/v (µL)
Solução estoque de mistura de
padrões a 5% (SE 5% m/m)
5,00 - 25,00 -
Nível 0 (limite de quantificação)
0,01 20 10,00 500
Nível 1 0,03 50 10,00 500
Nível 2 0,05 100 10,00 500
Nível 3 0,10 200 10,00 500
Nível 4 0,25 500 10,00 500
Nível 5 0,50 1000 10,00 500
Nível 6 0,75 1500 10,00 500
Fonte: Elaborada pela autora
3.4.3 Análises cromatográficas
3.4.3.1 Escolha dos padrões de hidrocarbonetos aromáticos
Para a escolha dos padrões a serem utilizados foram seguidas as
especificações da norma ASTM D2425 para que estes fossem representativos.
Segunda esta norma, apenas podem ser analisados hidrocarbonetos cujas frações
destilem na faixa de ebulição entre 204 °C a 343°C. Desta forma, foram selecionados
quatro padrões para representá-los. O naftaleno e o 1-metilnaftaleno são exemplos de
aromáticos naftalênicos, apresentando dois anéis aromáticos condensados. O
pentilbenzeno é composto por apenas um, enquanto o fenantreno representa a classe
com três anéis aromáticos condensados. O fenantreno, de maior temperatura de
ebulição, 340°C, ainda está adequado para uso segundo a norma vigente. Para padrão
interno, foi escolhido a benzofenona, que é uma cetona que apresenta dois anéis
aromáticos. As estruturas de cada um estão indicadas na Figura 13 a Figura 17.
27
Figura 13 - Representação de estrutura do pentilbenzeno
Fonte: Elaborada pela autora
Figura 14 - Representação da estrutura do naftaleno
Fonte: Elaborada pela autora
Figura 15 - Representação da estrutura do 1-metilnaftaleno
Fonte: Elaborada pela autora
Figura 16 - Representação de estrutura do fenantreno
Fonte: Elaborada pela autora
Figura 17 - Representação da estrutura da benzofenona
Fonte: Elaborada pela autora
28
3.4.3.2 Otimização do método cromatográfico
Foram realizadas análises das amostras em cromatógrafo a gás modelo GC-
17A, da SHIMADZU, com espectrometria de massas QP5050 A, auto injetor AOC-20i e
controlador CI-50. O software utilizado para aquisição de dados foi LabSolutions-
SHIMADZU. A coluna cromatográfica empregada foi uma do tipo capilar PONA 50, de
fase 100% polidimetilsiloxano (50 m x 0,15 mm x 0,42 µm) – RESTEK (GCMS).
Os parâmetros utilizados foram: temperatura do injetor: 280°C; temperatura
do detector: 260°C. Temperatura inicial programada para iniciar a análise com o forno a
50°C e manter por 10 minutos. Em seguida, na taxa de 2,5°C/min, a temperatura foi
elevada até 185°C, seguindo até 254.0°C, a taxa de 5°C/min. O gás de arraste
empregado foi hélio, com um fluxo de 0,3 mL/min. Uma alíquota de 1 L de amostra foi
injetada, com razão de divisão de 1:10, com corte de solvente a 24 minutos. O
espectrômetro de massa tipo quadrupolo apresenta um sistema de ionização por
impacto de elétrons (IE) varrendo a faixa de m/z 45 a 500 no modo SCAN, tendo uma
energia de ionização de 70 eV. As análise foram realizadas a uma velocidade linear
constante de 15,4 cm/s.
As soluções de concentração 0,5% m/m de cada padrão foram utilizadas
para determinar os tempos de retenção e fragmentos característicos de cada padrão.
Uma alíquota de 1 µL de solução de benzofenona foi injetada em uma concentração de
0,25 % m/v para determinar suas características cromatográficas.
Em seguida, 1 µL mistura dos padrões, com concentração de 0,05 % m/m
de cada foi injetado, a fim de averiguar a resolução e separação entre os picos.
Vale salientar que pequenas alterações nos parâmetros foram feitas no
decorrer do trabalho, para adequá-las às análises de validação, uma vez que estas
foram realizadas para o método matrizado, enquanto estas primeiras otimizações foram
feitas para amostra pura em solvente.
29
3.4.3.3 Estimativa da pureza dos padrões e solventes utilizados
Para estimar a pureza dos reagentes e solventes utilizados, foi realizada a
análise em Cromatógrafo a gás, modelo SHIMADZU GC-2010 com detector de
ionização de chama (FID) e auto injetor AOC-5000. O software para aquisição de dados
foi o Labsolutions-SHIMADZU. A coluna cromatográfica empregada foi uma do tipo
capilar de fase ligada HP-1, 100% Dimetilpolisiloxano (30 m x 0,32 mm x 0,25 m –
AGILENT).
Neste caso, a programação foi feita com o forno começando a 50°C e
aquecendo até 250°C, na taxa de 15°C/min, e permanecendo nessa temperatura por 7
minutos. O gás de arraste empregado foi hélio, em fluxo de 3,0 mL/min e velocidade
linear de 57,3 cm/s constante. O sistema de injeção foi colocado a 280°C para injetar
1,0 L da amostra, na razão de divisão de 1:10. O sistema de detecção empregado foi
por Ionização por chama (FID), colocado na temperatura de 290°C.
Foi estimatida a pureza de cada padrão pela integração dos picos principais,
que foi utilizada para os cálculos posteriores.
As soluções estoque com concentração de 5% m/m foram transferidas para
7 vials e estes foram submetidos à análise cromatográfica.
3.4.4 Quantificação dos hidrocarbonetos aromáticos
3.4.4.1 Curva analítica em solvente
O método escolhido foi a padronização interna utilizando como padrão
interno a benzofenona. Dessa forma, após a adição dos padrões, 0,5 mL de solução de
benzofenona a 5% m/v foram adicionados, seguindo de heptano suficiente para
completar o balão e agitação no Vortex.
A curva foi construída em 7 níveis de concentração, na faixa de 0,010 %
m/m a 0,75 % m/m. Cada nível foi analisado em triplicata independentemente e em
30
seguida foram delineadas curvas de calibração para cada padrão, relacionando a
concentração adicionada, corrigida pela pureza dos reagentes, com a média da relação
entre área do pico de interesse e área do pico referente ao padrão interno.
3.4.4.2 Curva analítica matrizada
Os mesmos sete níveis de concentração foram utilizados e preparados de
acordo com a Tabela 3, seguindo da adição de padrão interno e de um pequeno volume
de amostra SIP, suficiente para agitar no vortex. Após averiguar a homogeneidade da
solução, o volume foi completado com a mesma amostra. Cada ponto da curva foi
analisado em triplicata pelo método cromatográfico definido. Entretanto, algumas
alterações foram feitas, em função das diferenças de matriz dos pontos injetados. Dessa
forma, o método descrito no tópico 3.4.3.2 foi modificado.
Os parâmetros alterados foram essencialmente relativos à programação do
detector, de modo a preservar o equipamento quanto à eluição de grande concentração
de matriz. Assim, a detecção foi iniciada em 25 minutos, após passagem do solvente,
sendo interrompida novamente em 66 minutos e sendo reativado em 70 minutos,
finalizando em 90 minutos. Isso foi feito para evitar danos ao detector pela eluição do
farnesano, que estava em alta concentração. A aquisição de dados se deu pela
construção de curvas analíticas para cada padrão, relacionando da mesma forma a
concentração teórica de cada padrão com a média da relação entre área do pico de
interesse e a área do padrão interno.
3.4.5 Validação
O método proposto foi validado segundo adaptação do trabalho de RIBANI
sobre a validação de métodos cromatográficos; do Manual de garantia analítica do
ministério da agricultura e pecuária – MAPA; e do Guia de Validação do INMETRO. As
figuras de mérito aqui avaliados foram: Efeito de matriz e seletividade; limite de
quantificação e detecção; recuperação, robustez e precisão intermediária.
31
Inicialmente, foi construída uma curva analítica em solvente para a
quantificação de hidrocarbonetos aromáticos por calibração externa e interna. No
entanto, após realização do ensaio de efeito de matriz, foi determinado que o restante
da validação fosse feito para análises matrizadas.
3.4.5.1 Seletividade e Efeito de matriz
Análise da amostra fortificada - A solução de amostra fortificada com os
padrões foi utilizada para análise da compatibilidade das curvas analíticas com a
amostra, de forma a auxiliar na verificação da existência de efeito de matriz. Para isso,
três injeções da amostra fortificada foram feitas, utilizando a curva analítica em solvente
e a curva matrizada para determinar a concentração do analito.
Para fortificar a amostra, foram adicionados 200 µL da solução de mistura
dos padrões a 5% m/m cada em um balão volumétrico calibrado de 10 mL. Fazendo
uso da padronização interna, 0,5 mL de solução estoque de Benzofenona 5% m/v foram
adicionados, obtendo-a uma concentração de 0,25% m/v, como nos pontos das curvas
analíticas. Em seguida, o volume do balão foi completado com a matriz branca, isto é,
amostra SIP isenta de aromáticos, tendo uma concentração final de 0,1% m/m para
cada padrão e 0,4% m/m de hidrocarbonetos totais na amostra. Foram preparadas 2
amostras dessa forma e analisadas em cada curva.
A comparação entre os valores de concentração experimental encontrada
para cada padrão em ambos os casos, curva em solvente ou em matriz, auxiliou na
detecção de efeito matriz na amostra. A avaliação do efeito de matriz foi realizada por
meio de testes de hipóteses, isto é, teste f e t-student.
3.4.5.2 Limite de quantificação e limite de detecção
Para os dois parâmetros, foi empregado o método da relação sinal-ruído,
comumente utilizado para técnicas que indicam o ruído da linha de base (RIBANI, 2004).
São realizadas medições de níveis de baixa concentração em matriz.
32
Assim, no caso do limite de quantificação (LQ), que representa a menor
concentração quantificável do analito, foi determinada uma relação sinal-ruído de 10:1.
O LQ está contido nas curvas analíticas e representa o menor nível de concentração.
É importante ressaltar que ambos limites foram preparados na presença da
matriz amostral, ou seja, utilizando a amostra como diluente.
Da mesma forma, o limite de detecção (LD) foi estabelecido pela proporção
de 3:1 da relação sinal-ruído. Para tanto, a partir da verificação visual da relação do LQ,
a solução referente ao LQ foi diluída de modo a preparar uma solução de concentração
três vezes menor. Dessa forma, foi possível obter um relação sinal-ruído da ordem de
3:1, configurando o LD. O preparo de ambas as soluções pode ser verificado pela
Tabela 4. Para cada limite, foram feitas 7 injeções independentes de 1 µL cada no
método para análises na presença de matriz.
Tabela 4 - Soluções usadas para determinação do LD e LQ
Padrão Aromático
Concentração teórica (% m/m)
Volume Pipetado (µL)
Volume Final (mL)
Solução estoque de mistura de padrões a 5% (SE 5%)
- - 25,00
Limite de quantificação (a partir da SE 5%)
0,01 20 10,00
Limite de detecção (a partir do LQ)
0,0029 2860 10,00
Fonte: Elaborada pela autora
3.4.5.3 Recuperação, robustez e precisão intermediária
3.4.5.3.1 Recuperação/Veracidade
Na ausência de Material de Referência Certificado (MRC), o Manual de
Garantia Analítica sugere a veracidade seja avaliada por ensaio de recuperação, por
intermédio da matriz branca amostral fortificada.
A análise da recuperação foi então baseada no uso da matriz branca, isto
é, sem a presença do analito. Dessa forma, três níveis de concentração foram
analisados: 60%, 100% e 140% do valor máximo permitido pela Resolução ANP n°63,
33
0,5% m/m de aromáticos totais (cerca de 0,125 % m/m de cada padrão). O planejamento
e execução deste preparo pode ser observado na Tabela 5.
Tabela 5 - Preparo das soluções usadas para recuperação, precisão intermediária e robustez
Teor (%)
Volume - SE 5% (µL)
Volume – PI 5% (µL)
Volume final (mL)
Conc. Teórica de cada padrão (m/m) *
60,00 150 500 10,00 0,075
100,0 1250 2500 50,00 0,125
140,0 350 500 10,00 0,175
* concentração sem correção com base na pureza e no preparo da SE 5%.
Fonte: Elaborada pela autora
Para a análise, foram feitas sete injeções independentes de cada nível e
calculados o fator de recuperação de cada padrão, a partir da Equação 1.
Equação 1
Fonte: Manual de Garantia da Qualidade Analítica – MAPA
Onde:
cf - teor medido após a fortificação da amostra;
cnf - teor sem fortificação (matriz branca);
cad - teor de analito adicionado à matriz branca.
Os resultados obtidos foram avaliados quanto ao fator de recuperação
obtido para cada nível e cada padrão, bem como em relação à precisão das medidas.
34
3.4.5.3.2 Robustez
Para este parâmetro, foi variado o fluxo de gás de arraste de 0,3 mL/min
para 0,2 mL/min, sendo o restante do método mantido constante. Os parâmetros
instrumentais modificados em relação método descrito no tópico 3.4.3.2 foram o fluxo
de gás de arraste, acarretando na diminuição da velocidade linear para 12,6 mL/min.
Consequentemente, a programação de pressão e os tempos de eluição foram alterados.
Como a eluição foi alterada, o sistema de detecção foi adaptado para iniciar em 25
minutos, parando entre 68 a 72 minutos, e terminando em 90 minutos.
Uma nova curva analítica matrizada foi preparada, da mesma forma que
anteriormente, para avaliar o efeito da modificação. Novamente, três injeções foram
realizadas e suas médias usadas para construir uma nova curva analítica.
Em seguida, a amostra de teor 100% da Tabela 5, isto é, cerca de 0,125%
m/m de cada padrão, foi analisada sete vezes, a fim de averiguar a precisão e exatidão
entre a concentração encontrada e a teórica do preparo.
3.4.5.3.3 Precisão intermediária
Foi avaliada de acordo com a variação entre analistas. As soluções usadas
para construir a curva analítica matrizada foram reinjetadas, a fim de se evitar qualquer
oscilação instrumental ou ambiental. Em seguida, a solução 100% da Tabela 5 foi
injetada sete vezes por um analista e duas semanas depois, por outro. A comparação
entre as concentrações, desvios e coeficiente de variação obtidos permitiu a avaliação
deste parâmetro.
35
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Uma metodologia analítica adaptada foi proposta para a determinação direta
de hidrocarbonetos aromáticos em Querosene de Aviação Alternativo tipo SIP. Foi
desenvolvida com base na curva analítica matrizada, sendo em seguida validada de
acordo com os guias do MAPA e INMETRO.
4.1 Destilação da amostra
A importância desta análise está na verificação da aplicabilidade da norma
ASTM D2425 para a amostra, que especifica que apenas destilados na faixa de 204 °C
a 343°C podem ser analisados segundo esta norma. Este procedimento foi a etapa
inicial de todo trabalho, uma vez que para as subsequentes foi empregada a amostra
destilada. Para isso, 500 mL da amostra foram destilados e armazenados em frasco
âmbar.
Para verificar a adequação da amostra à análise pela ASTM D2425, foi
verificado a priori o perfil de destilação. De acordo com a RANP nº 63, a norma aplicável
para estudo da volatilidade é a ASTM D86-15 - Standard Test Method for Distillation of
Petroleum Products and Liquid Fuels at Atmospheric Pressure. Nesta norma, são
especificados três parâmetros, sendo os restantes passíveis de variação. O primeiro é
a temperatura referente ao volume de recuperação em 10% v/v, sendo no máximo
250°C. A Tabela 6 indica um valor abaixo desse limite, 239°C. O segundo é o ponto final
de ebulição (PFE), admitindo no máximo 255°C. A amostra também se enquadra nesse
quesito, apresentando um máximo de 247,3°C. Para o último parâmetro, porcentual
máximo de resíduo e perda, a amostra apresentou 1,5% v/v de resíduo e 0,5% v/v de
perda, estando em conformidade com as especificações. A Tabela 6 apresenta os
resultados obtidos para a destilação da amostra SIP. É possível averiguar que a amostra
é essencialmente pura, apresentando um patamar pronunciado em aproximadamente
244,5°C, caraterístico de substâncias puras, o que corrobora o certificado enviado pela
empresa, que atesta que a amostra continha 99% v/v de farnesano em sua composição.
36
Tabela 6 - Resultados do ensaio de destilação da amostra SIP
ASTM D 86
Pressão barométrica: 924.0 hPa
Resíduo da destilação: 1.5 mL
Recuperação: 98.0 % v/v
Perda da destilação: 0.5 mL
Volume (%)
Taxa de dest.
(mL/min)
Temp. de dest (°C)
Corr. Barom.
(°C)
Corr. Evap. (°C)
IBP 459.0 s 231.4 235.4 235.4
5 24.0 s 233.8 237.9 237.8
10 14.3 235.1 239.2 239.0
15 7.9 236.9 241.0 240.9
20 4.4 239.3 243.4 243.3
30 4.6 240.3 244.4 244.4
40 4.4 240.3 244.4 244.4
50 4.5 240.4 244.5 244.5
60 4.6 240.4 244.5 244.5
70 4.6 240.4 244.5 244.5
80 4.7 240.4 244.5 244.5
85 4.3 240.5 244.6 244.6
90 4.4 240.5 244.6 244.6
95 37.3 s 240.9 245.0 244.9
Fonte: Elaborada pela autora – Laudo de análise LEC-UFMG
A Figura 18 apresenta os perfis cromatográficos das amostras destilada e
sem destilar. Ambas apresentam perfis bastante semelhante, mostrando que esta etapa
é desnecessária, pois as amostras possuem composição similar.
37
Figura 18 - Comparação entre os cromatogramas do SIP destilado e sem destilar
Fonte: Elaborada pela autora
4.2 Análise do teor de hidrocarbonetos aromáticos, de
acordo com a norma ASTM D2549
4.2.1 Análise das amostras fortificadas
A concentração de 0,125% m/m de cada hidrocarboneto aromático (HA) foi
empregada para fortificação. Na fração de n-pentano, que é recolhida primeiro, os
compostos não aromáticos foram eluídos, e na fração de éter-clorofórmio-etanol, os HA,
os quais foram então quantificados pelo GC-MS (n=3) e encontram-se reportados na
Tabela 7.
20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
5000000
10000000
15000000
20000000
25000000
SIP
se
m d
estila
r
Tempo de retenção/min
SIP sem destilar
SIP destilado
38
Tabela 7 - Recuperação da amostra após segundo experimento de separação
HA na fração Clorofórmio
Conc. média %
(m/m)
Desv. Pad.
CV (%) Conc.
Teórica (%)
Recuperação (%)
FENANTRENO 0,0832 0,0003 0,3494 0,1289 64,55
METILNAFTALENO 0,072 0,002 2,778 0,134 53,7
NAFTALENO 0,0351 0,0007 1,994 0,1248 28,13
PENTILBENZENO 0,0427 0,0007 1,639 0,1250 34,16
Fonte: Elaborada pela autora
A Tabela 7 apresenta os resultados de precisão entre as medidas e a
recuperação, em relação à concentração teórica das amostras antes de sofrerem o
processo de separação. É importante pontuar a baixa reprodutibilidade, além da grande
perda de material durante a técnica. Isto significa que a etapa de separação na coluna
cromatográfica deve ainda ser reavaliada.
Como foi citado anteriormente, apesar de ser uma especificação das
Agências reguladoras (ANP, ASTM), é um procedimento pouco robusto e prático, haja
vista procedimentos clássicos como este estão cada vez caindo em desuso em
laboratórios de rotina, devido à baixa frequência analítica que impõem.
4.3 Otimização do método cromatográfico
Foram injetadas soluções individuais de cada padrão na concentração de
0,5% m/m para a determinação de seus tempos de retenção. Em seguida, foi analisada
a solução referente à mistura dos padrões, com concentração de 0,05% m/m cada
padrão. A Figura 19 apresenta o cromatograma de íons totais (TIC) referente à mistura
de padrões indicando que não há sobreposição de picos, ou seja, não há co-eluição de
nenhum deles. Além disso, a figura mostra o pico referente a cada padrão e seus
respectivos tempos de retenção. Para verificar uma possível co-eluição com o padrão
interno, a solução de benzofenona 0,25% m/v também foi analisada. A benzofenona
apresentou um tempo de retenção de 76,768 min eluindo entre o 1- metilnaftaleno e o
fenantreno, não apresentando problemas de co-eluição com os padrões selecionados.
39
Figura 19 - TIC dos padrões de hidrocarbonetos aromáticos e seus tempos de retenção
Fonte: Elaborada pela autora
Para determinar se haveria algum problema na utilização dos padrões
escolhidos e do padrão interno, quando estes fossem misturados à amostra SIP foi
injetada uma amostra matrizada. A Figura 20 mostra os picos referentes à mistura de
padrões, padrão interno e matriz amostral (SIP destilado).
Figura 20 – TIC da mistura de padrões de hidrocarbonetos aromáticos e SIP
Fonte: Elaborada pela autora
40 60 80
0
5000000
10000000
15000000
20000000
25000000
Inte
nsid
ade a
bsolu
ta
Tempo de retenção/min
Fenantreno
Naftaleno
Metilbenzeno
Pentilbenzeno
Benzofenona
SIP destilado
40
No caso da curva analítica matrizada, foi verificada a necessidade de se
interromper a aquisição de dados entre 66 a 70 minutos, pois neste intervalo há a eluição
do Farnesano presente na amostra em um teor de 99% v/v, componente majoritário da
amostra SIP. Devido a sua alta concentração (>99% v/v), o detector indicou saturação,
sendo assim necessário desligar o filamento durante sua eluição, para evitar danos ao
equipamento.
Além disso, uma pequena co-eluição de componentes da matriz amostral
com o padrão interno é observada. Isso, porém, não gerou problemas no momento de
identificação e quantificação, pois a quantidade de padrão interno nas curvas foi
consideravelmente maior, tornando essa interferência negligenciável.
A Tabela 8 reúne os principais dados analisados para cada padrão, a fim de
melhorar caracterizá-los. As Figura 27 a Figura 31 em anexo apresentam os espectros de
massa obtidos para cada padrão, seus fragmentos característicos e a similaridade com
os compostos indicados pelas bibliotecas.
Tabela 8 - Dados cromatográficos e espectrométricos de cada padrão analisado por GC-MS
Composto Tempo de retenção
(min)
Similaridade
(%)
MM
(g/mol)
Principais
fragmentos (m/z)
Biblioteca
usada
Benzofenona 76,768 97 182 182, 105, 77, 51 NIST05
Fenantreno 82,696 88 178 178, 179, 88, 75 WILEY7
Metilnaftaleno 64,321 92 142 142, 141, 139, 115 WILEY7
Naftaleno 56,682 92 128 128, 127, 102, 51 WILEY7
Pentilbenzeno 54,772 92 148 148, 105, 91, 92 WILEY7
41
O programa de temperatura foi selecionado de acordo com análises
anteriores. A temperatura final foi determinada com base na destilação da amostra, que
indica que 95% do volume total já havia sido destilado à temperatura de 244,6 °C. A
baixa razão de divisão do injetor (1:10) foi aplicada para evitar perdas de informação,
uma vez que a quantidade de hidrocarbonetos aromáticos era bastante baixa, com um
nível máximo de 0,75% m/m de cada padrão.
4.3.1 Padrão interno
A padronização interna se baseia no uso de soluções padrões de
concentrações conhecidas do analito de interesse, às quais é adicionada uma
quantidade fixa de um segundo composto, denominado padrão interno (RIBANI, 2014).
Da mesma forma, é também adicionado às amostras, na mesma concentração.
Comumente, a análise é feita através da relação da concentração variada
do analito e a razão da área do pico do analito pela área do pico do padrão interno
(RIBANI, 2014). Desta forma, são reduzidos ou eliminados erros oriundos da injeção de
material no sistema cromatográfico ou relativos ao preparo das soluções, uma vez que
é medida uma relação e não um valor absoluto.
Existem uma série de requisitos para que um composto possa ser utilizado
como padrão interno em uma determinada aplicação. Primeiramente, o composto deve
estar ausente da amostra que se deseja analisar. Deve também ser similar aos analitos
de interesse, eluir em tempo dentro do intervalo de análise e ser inerte aos demais
compostos presentes na matriz (RIBANI, 2014).
Por preencher todos os requisitos necessários a um padrão interno, a
benzofenona foi utilizada.
4.3.2 Comparação entre os procedimentos
Inicialmente, foram comparados os resultados obtidos considerando-se a
razão entre as áreas, de padrão interno e analito, e aqueles gerados com o valor
absoluto da área dos picos de interesse, a fim de verificar a necessidade deste tipo de
42
padronização. A Tabela 9 faz uma comparação entre os coeficientes de variação de
cada experimento realizado.
Tabela 9 - Comparação entre procedimentos sem e com adição de PI
n =7 Fonte: Elaborada pela autora
De forma geral, a incerteza relativa foi menor nos experimentos em que é
utilizado o padrão interno, indicando a redução do erro entre as replicatas.
O 1-metilnaftaleno apresentou uma dispersão de resultados maior que os
outros compostos, pois alguns compostos da matriz apresentaram uma pequena co-
eluição com este composto, dificultando a integração e obtenção da área. Além disso,
os níveis de menor concentração apresentaram maiores coeficientes de variação, pois
quanto menor o valor, mais pronunciada é a dispersão entre eles.
4.4 Estimativa da pureza dos padrões e solventes
Soluções individuais de cada um dos padrões e solventes utilizados foram
analisados por GC_FID, de modo a estimar a concentração dos padrões e pureza dos
solventes utilizados.
Foram feitas sete injeções e a integração dos picos principais forneceu a
concentração real de cada composto. Com a média das concentrações dos analitos, foi
determinada a pureza. A Tabela 10 apresenta os resultados obtidos.
Coeficiente de variação (%)
Composto Condição da
curva Nível
0 Nível
1 Nível
2 Nível
3 Nível
4 Nível
5 Nível
6
Fenantreno Com PI 0,804 4,51 2,97 0,443 0,408 0,414 0,787
Sem PI 5,07 4,24 2,57 1,09 0,165 1,72 1,57
Pentilbenzeno Com PI 5,60 1,70 1,35 0,997 1,06 1,20 0,827
Sem PI 6,02 1,89 2,17 1,34 1,57 0,942 0,437
Naftaleno Com PI 1,55 0,049 3,65 1,34 1,25 1,08 0,748
Sem PI 2,23 0,268 0,673 1,92 1,77 1,11 0,372
Metilnaftaleno Com PI 3,45 2,82 1,18 1,53 0,685 1,36 0,922
Sem PI 3,86 2,61 3,34 2,48 1,14 0,756 0,298
43
Tabela 10 - Pureza dos padrões e solvente
Composto Tempo de retenção
Média do teor do
composto (%)
Desvio padrão
Coeficiente de variação
(%)
Heptano 1,520 99,730 0,004 0,004
Naftaleno 4,950 98,92 0,03 0,03
Pentilbenzeno 4,780 97,89 0,03 0,03
Metilnaftaleno 6,120 99,48 0,03 0,03
Benzofenona 8,660 98,3 0,1 0,1
Fenantreno 9,810 83,07 0,04 0,05
n=7 Fonte: Elaborada pela autora
De posse desses dados, a concentração das soluções estoque e de trabalho
foram recalculadas, bem como as concentrações das soluções usadas na curva
analítica, para cada nível de concentração, levando em consideração a correção de
pureza de cada componente. A Tabela 11 e Tabela 12 mostram os valores verdadeiros
que foram utilizados para cada nível avaliado.
Tabela 11 - Concentrações das soluções estoque corrigidas
Naftaleno Metilnaftaleno Fenantreno Pentilbenzeno Benzofenona
Massa (g) 1,26133 1,34596 1,55195 1,27650 1,25121
Pureza (% m/v)
98,92 99,48 83,07 97,89 98,29
Massa corrigida (g)
1,248 1,339 1,289 1,250 1,230
Volume (mL) 25,00 25,00 25,00 25,00 25,00
Conc. (% m/m)
4,991 5,356 5,156 5,000 4,919
Fonte: Elaborada pela autora
44
Tabela 12 - Concentrações das soluções de trabalho corrigidas
Padrão Volume
Pipetado (µL)
Volume Final (mL)
Volume PI (µL)
Concentração % (m/m)
Naftaleno Metilnaftaleno Fenantreno Pentilbenzeno Benzofenona
SE 5% m/m
- 25,00 _ 4,991 5,356 5,156 5,000 4,919
Nível 0 (LQ)
20 10,00 500 0,010 0,011 0,010 0,010 0,246
Nível 1 50 10,00 500 0,025 0,027 0,026 0,025 0,246
Nível 2 100 10,00 500 0,050 0,054 0,052 0,050 0,246
Nível 3 200 10,00 500 0,100 0,107 0,103 0,100 0,246
Nível 4 500 10,00 500 0,249 0,268 0,258 0,250 0,246
Nível 5 1000 10,00 500 0,499 0,536 0,516 0,500 0,246
Nível 6 1500 10,00 500 0,749 0,803 0,774 0,750 0,246
Fonte: Elaborada pela autora
4.5 Quantificação
Apesar de muitos guias de validação preconizarem algumas práticas para o
desenvolvimento do processo de calibração (MAPA, INMETRO), este deve se adequar
à aplicação requerida, de modo a conferir maior veracidade e mais alta precisão, dentro
das limitações do laboratório.
É indicado que o preparo das soluções de calibração seja feito de modo
independente. Porém, quando se determina quantidades pequenas de analito, a
pesagem dos padrões se torna inviável em baixos níveis de concentração
(RIBANI,2004). Dessa maneira, foi escolhido o método das diluições sucessivas a partir
de uma solução estoque, garantindo precisão, com maior eficiência analítica.
Conforme citado anteriormente, foram construídas duas curvas analíticas:
uma em solvente e outra em matriz amostral. Este procedimento foi necessário após
verificar inconsistência dos valores obtidos para as amostras fortificadas pela curva
analítica em solvente, em relação ao valor adicionado de padrões. A comparação entre
os resultados e a discussão em torno do tema serão tratados mais detalhadamente no
tópico “Efeito de matriz”, na seção “Validação”.
45
O método cromatográfico desenvolvido foi modificado para o procedimento
com sobreposição de matriz, a fim de remover o tempo de detecção referentes aos
componentes majoritários da matriz.
A Figura 21 mostra a relação de concentração crescente entre os níveis da
curva matrizada, através do aumento das áreas de cada pico. As áreas dos picos
referentes aos compostos da matriz SIP e do padrão interno, benzofenona, se
mantiveram constantes, uma vez que suas concentrações não variaram na construção
da curva. Os picos foram propositalmente deslocados, para facilitar a visualização. As
curvas analíticas e os tratamentos serão discutidos posteriormente.
Figura 21 -TIC combinado de todos os níveis, conforme a Tabela 3, da curva analítica matrizada.
Fonte: Elaborada pela autora
46
4.6 Validação
De forma geral, a validação de um método busca garantir a qualidade de
uma medição química através de sua comparabilidade, confiabilidade e rastreabilidade
(RIBANI, 2004).
O estudo de validação realizado deve ser coerente com a intenção de uso
(RIBANI, 2004). De modo a adequar o estudo a metodologias de separação, mais
especificamente GC-MS, foram determinadas as seguintes figuras de mérito:
linearidade, efeito de matriz e seletividade, limite de detecção e quantificação,
recuperação, robustez e precisão intermediária.
De acordo com os guias do MAPA e do INMETRO, os parâmetros analíticos
devem ser avaliados levando em conta o nível de concentração de interesse do analito.
No presente trabalho, onde o alto teor de hidrocarbonetos aromáticos é considerado
prejudicial, configura-se o caso de determinação de um contaminante (MAPA). Dessa
maneira, todo estudo se baseou no limite máximo permitido para esses componentes,
que é 0,5% m/m (RANP 63).
A validação foi realizada para o procedimento com sobreposição de matriz.
Como foi averiguada uma discrepância de valores em sua presença, optou-se pela sua
utilização, tornando a análise mais verídica em relação à amostra em questão.
4.6.1 Linearidade e faixa linear de trabalho
A linearidade pode ser definida como a capacidade de um método em
fornecer sinais analíticos que sejam diretamente proporcionais à concentração do
analito em análise, dentro de uma faixa de aplicação, isto é, determinada faixa de
trabalho. (MAPA, INMETRO, RIBANI).
A construção de um modelo matemático, isto é, uma curva analítica, permite
a verificação da linearidade entre os parâmetros que descrevem o fenômeno. A relação
linear simples é bastante conhecida, porém só pode ser aplicada em um determinado
intervalo de concentração (RIBANI, 2004). Essa faixa é denominada faixa de trabalho
47
ou aplicação. A expressão matemática que trata desse tipo de função pode ser descrita
pela Equação 2 (INMETRO, 2008):
Equação 2
Onde:
y = sinal analítico medido (área do pico de interesse, por exemplo);
x = concentração do analito;
a = coeficiente de inclinação (sensibilidade);
b = coeficiente de interseção com o eixo y, quando x = 0.
Para avaliar os diferentes tipos de compostos aromáticos, foram injetados
sete níveis de concentrações com três replicatas cada. Dessa maneira, foram
construídas curvas analíticas para cada padrão. Vale lembrar que foram avaliadas
aquelas construídas com sobreposição de matriz. A Figura 22 a, b, c, e d apresentam
as curvas analíticas para cada padrão utilizado.
48
Figura 22 -Curva analítica matrizada de (a) naftaleno, (b) pentilbenzeno, (c) metilnaftaleno e (d) fenantreno.
Fonte: Elaborada pela autora
y = 3,5426x - 0,0403R² = 0,9997
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
0,000 0,200 0,400 0,600 0,800Raz
ão d
as á
reas
do
pad
rão
e
pad
rão
inte
rno
Concentração (% m/m)
A
y = 3,5645x - 0,0311R² = 0,9997
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
0,000 0,200 0,400 0,600 0,800Raz
ão d
as á
reas
do
pad
rão
e
pad
rão
inte
rno
Concentração (% m/m)
B
y = 3,5702x - 0,062R² = 0,9984
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000Raz
ão d
as á
reas
do
pad
rão
e
pad
rão
inte
rno
Concentração (% m/m)
C
y = 5,0168x + 0,0137R² = 0,9992
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
4,000
0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000Raz
ão d
as á
reas
do
pad
rão
e
pad
rão
inte
rno
Concentração (% m/m)
D
49
Os coeficientes de determinação (R2) podem ser empregados para avaliar a
adequação do modelo matemático selecionado para determinado fenômeno
(INMETRO). Valores maiores que 0,999 são indícios de um modelo adequado (RIBANI,
2004). Assim, para todos os padrões, com exceção do 1-metilnaftaleno, o ajuste linear
foi satisfatório para correlacionar os parâmetros. Entretanto, essa determinação mínima
pode ser variável. De acordo com a ANVISA, o valor mínimo é 0,99, enquanto para o
INMETRO um valor acima de 0,90 já é satisfatório para mostrar adequação. A partir dos
resultados obtidos pode se observar que a relação entre a concentração da substância
e sinal analítico medido foi linearmente proporcional.
O 1-metilnaftaleno apresentou menor correlação em presença de matriz.
Como citado anteriormente, isso se deve ao fato de a integração dos picos referentes a
este analito ter sido dificultada, pela presença de pequena co-eluição com alguns
compostos presentes na amostra.
A faixa linear de trabalho foi definida de acordo com os limites de
concentração permitidos para a substância em análise. Dessa forma, sendo o teor
máximo permitido de hidrocarbonetos aromáticos 0,5% m/m em querosene de aviação
alternativo. Assim, foi selecionada uma faixa com níveis próximos a este valor. O valor
inferior foi determinado pelo limite de quantificação obtido para a técnica segundo o
INMETRO, enquanto o valor superior ficou acima da especificação. A definição foi
baseada na especificação feita pela IUPAC, na qual os limites devem estar entre 0 e
150% do valor especificado.
4.6.2 Seletividade e efeito de matriz
A seletividade é o parâmetro que avalia a capacidade do procedimento
analítico de discriminar entre substâncias de interesse e substâncias similares,
presentes na matriz (MAPA). Os interferentes podem modificar os sinais analíticos,
através de interações dentro da matriz (INMETRO).
A avaliação foi feita pela comparação estatística entre as curvas analíticas
obtidas para os analitos puros em solvente e em matriz branca da amostra. Para isso,
as inclinações de cada curva foram avaliadas e por meio de testes de hipóteses foi
averiguada a existência de efeito de matriz.
50
A Tabela 19 em anexo reporta os dados obtidos pelos testes de hipóteses
aplicados à análise das variâncias e médias. Como pode ser observado, o único padrão
que não apresentou estatisticamente efeito de matriz para o intervalo de confiança de
95% foi o pentilbenzeno. Entretanto, como as curvas foram construídas com uma
solução estoque da mistura de padrões, e considerando que os outros apresentaram
interferência, optou-se por validar o procedimento incluindo a matriz branca amostral.
A Figura 23 a, b, c, e d apresenta os resultados encontrados para a curva
analítica em solvente e matrizada para todos os níveis avaliados para cada um dos
padrões utilizados.
51
Figura 23 - Curvas analíticas matrizada e em solvente – (a) naftaleno, (b) pentilbenzeno, (c) metilnaftaleno e (d) fenantreno.
Fonte: Elaborada pela autora
y = 3,9476x + 0,0098R² = 0,999
y = 3,5426x - 0,0403R² = 0,9997
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Raz
ão e
ntr
e a
s ár
eas
do
p
adrã
o e
pad
rão
inte
rno
Concentração (% m/m)
A
y = 3,5529x + 0,0424R² = 0,9949
y = 3,5645x - 0,0311R² = 0,9997
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Raz
ão e
ntr
e a
s ár
eas
do
p
adrã
o e
pad
rão
inte
rno
Concentração (% m/m)
B
y = 4,026x + 0,007R² = 0,9978
y = 3,5702x - 0,062R² = 0,9984
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Raz
ão e
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e a
s ár
eas
do
p
adrã
o e
pad
rão
inte
rno
Concentração (% m/m)
C
y = 3,9607x + 0,0002R² = 0,9995
y = 5,0168x + 0,0137R² = 0,9992
0
1
2
3
4
5
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Raz
ão e
ntr
e a
s ár
eas
do
p
adrã
o e
pad
rão
inte
rno
Concentração (% m/m)
D
Solvente Matriz Linear (solvente) Linear (matriz)
52
4.6.3 Limite de Quantificação (LQ) e Detecção (LD)
Existem várias formas de determinar o LQ e LD em uma metodologia. As
três práticas mais empregadas são: o método visual; o método da relação sinal-ruído e
o método baseados na curva analítica (RIBANI, 2004). O procedimento escolhido neste
trabalho foi avaliar a relação sinal-ruído.
4.6.3.1 Limite de Quantificação
Apesar de não estar descrito no vocabulário internacional de metrologia
(VIM 2012), o termo limite de quantificação é um parâmetro muito empregado em
ensaios de validação. Pode ser entendido como a menor concentração de analito que
pode ser quantificada por um procedimento, com níveis de precisão e veracidade
aceitáveis (INMETRO). Na prática, trata-se o padrão de menor concentração na curva
analítica.
Em geral, é empregada a relação sinal-ruído na ordem de 10:1, que é
interpretada como suficiente para gerar uma boa integração e assim uma quantificação
confiável. Dessa maneira, foram injetados diversos níveis de concentração até ser
verificada essa relação. A Figura 24 ilustra o procedimento utilizado.
53
Figura 24 – Cromatograma referente à determinação do LQ para o padrão de menor fator resposta pelo método da relação sinal-ruído
Fonte: Elaborada pela autora
Como pode ser observado, os hidrocarbonetos aromáticos empregados
como padrões possuem diferentes fatores resposta, isto é, diferentes sensibilidades ao
método empregado. Assim, foi escolhido o padrão de menor fator para determinação do
limite de quantificação do método. O sinal de fenantreno apresentou neste nível cerca
de 10 vezes o ruído da linha de base, sendo esta concentração então selecionada para
representar o limite. A concentração definida para o último nível da curva analítica foi de
0,0100 % m/m, de acordo com a Tabela 4.
54
4.6.3.2 Limite de Detecção
Segundo o INMETRO, o limite de detecção representa o menor valor de
concentração do analito que pode ser detectado por um procedimento analítico,
podendo ser ou não ao mesmo tempo quantificado.
Para o presente trabalho, foi calculado o Limite de Detecção do equipamento
(LDE), no qual se determina a concentração de substância que produz sinal analítico de
três a cinco vezes maior que o ruído da linha de base (INMETRO).
A partir da determinação do LQ, foi calculada a redução necessária para
atingir o nível que apresentasse a relação sinal-ruído igual a três. Como foi tomado como
base o Fenantreno, foi avaliado o sinal somente deste padrão. A Figura 25 demonstra
o procedimento seguido.
Figura 25 – Cromatograma referente à determinação do LD do padrão de menor fator resposta pelo método da relação sinal/ruído
Fonte: Elaborada pela autora
A concentração obtida a partir do LQ e corroborada pelo método da relação
sinal-ruído foi de 0,0029 % m/m, conforme Tabela 4.
55
4.6.4 Recuperação, Robustez e Precisão Intermediária
Para a análise dos três parâmetros, foram utilizadas soluções em três níveis
de concentração, conforme especificação do manual de garantia analítica do MAPA.
Como não havia Material de Referência Certificado (MRC) para comparação dos
parâmetros, foi aplicada a matriz branca da amostra, fortificada em três níveis; 60%,
100% e 140% do valor máximo permitido pela Resolução ANP n°63, 0,5% m/m, de
aromáticos totais (cerca de 0,125 % m/m de cada padrão).
4.6.4.1 Recuperação/Veracidade
De acordo com o VIM 2012, a recuperação ou veracidade pode ser definida
como o “grau de concordância entre a média de um número infinito de valores medidos
repetidos e um valor de referência”.
O valor de referência aqui citado seria no caso a quantidade teórica
adicionada à matriz no momento da fortificação. Assim, ao comparar os valores obtidos
através do procedimento analítico selecionado, é verificado o quão verídico pode ser
considerado. A recuperação é na prática uma expressão da veracidade, que por sua
vez relaciona-se inversamente com os erros sistemáticos presentes na medição
(Manual de Garantia Analítica).
Através da injeção de sete replicatas de cada nível de concentração
analisada, foi calculada a recuperação de cada nível, através da Equação 1.Como a
concentração antes da fortificação não foi detectada, esta foi considerada nula. A Tabela
13 reporta os resultados obtidos para cada um dos níveis.
56
Tabela 13 -Resultados de recuperação obtidos para cada analito, em três níveis de concentração
Naftaleno Pentilbenzeno 1-Metilnaftaleno Fenantreno
Nível (% m/m)
60 100 140 60 100 140 60 100 140 60 100 140
Conc. Teórica (%
m/m) 0,075 0,125 0,175 0,075 0,125 0,175 0,080 0,134 0,188 0,077 0,129 0,181
Conc. Média (% m/m)
0,076 0,126 0,181 0,076 0,125 0,181 0,083 0,130 0,186 0,076 0,134 0,198
Desvio padrão
0,001 0,004 0,002 0,002 0,004 0,001 0,002 0,004 0,001 0,001 0,004 0,001
CV (%) 1,32 3,17 1,11 1,95 3,20 0,553 2,41 3,08 0,538 1,316 2,985 0,505
Recuperação (%)
101 101 103 101
100 103 104 97,0 98,9 98,7 104 109
Fonte: Elaborada pela autora
De acordo com a EURACHEM, os intervalos aceitáveis para contaminantes vão de 70 a 120%, com precisão de até 20%. Dessa
maneira, a recuperação obtida para o procedimento nos níveis avaliados está dentro do estipulado. Além disso, é válido pontuar que este ensaio
tem certas limitações, no que diz respeito à inserção de componentes diferentes na matriz amostral. Isso pode levar a diferenças na detecção,
uma vez que não necessariamente os analitos adicionados estão na forma que estariam naturalmente na amostra.
57
4.6.4.2 Robustez
O ensaio de robustez busca avaliar a sensibilidade de determinado
procedimento analítico, frente a modificações experimentais (MAPA). Esse estudo visa
demonstrar a aplicabilidade de um procedimento, sem que ele deixe de ser efetivo por
conta de mudanças, como por troca de equipamento e/ou parâmetros de análise.
Quanto mais robusto, menos sensível ele é a pequenas alterações que possam ocorrer
durante sua execução (INMETRO).
O parâmetro selecionado para avaliar a Robustez foi o fluxo de gás de
arraste utilizado na análise cromatográfica. Dessa forma, foram modificados
indiretamente, a programação de pressão na coluna e o tempo de retenção de cada
composto. Na ausência de MRC, foi empregada amostra em matriz branca, fortificada
em nível de 100% de concentração (Tabela 5) uma vez que foram modificados fatores
relativos à calibração, novas curvas foram preparadas e analisadas.
A Tabela 14 e a Figura 26 a, b, c e d mostram os resultados obtidos para o
ensaio. A Tabela 14 apresenta dados relativos à dispersão dos resultados para um
mesmo composto, além do erro relativo à veracidade, comparando com o valor de
concentração da amostra preparada para o ensaio. De uma forma geral, o procedimento
modificado se apresentou com boa precisão, ao observar-se o coeficiente de variação
entre as replicatas (n=7), além de boa veracidade, apresentando pequenos erros
relativos. O Metilnaftaleno mais uma vez apresentou maior dispersão e erro, pelo
mesmo motivo já discutido anteriormente, isto é, necessidade de integração manual.
Tabela 14 - Análise da amostra fortificada em método modificado
Fonte: Elaborada pela autora
Naftaleno Pentilbenzeno Metilnaftaleno Fenantreno
Conc. Teórica (% m/m) 0,125 0,125 0,134 0,129
Conc. Média (% m/m) 0,122 0,123 0,129 0,133
Desvio padrão 0,002 0,002 0,003 0,001
CV (%) 1,64 1,63 2,33 0,752
Erro relativo à conc. Teór.(%)
2,40 1,60 3,73 3,10
58
Figura 26 - Curva matrizada para estudo de robustez –(a) naftaleno, (b) pentilbenzeno, (c) metilnaftaleno e (d) fenantreno
Fonte: Elaborada pela autora
y = 3,497x - 0,0321R² = 0,9996
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
0,000 0,200 0,400 0,600 0,800
Raz
ão d
as á
reas
do
pad
rão
e
pad
rão
inte
rno
Concentração (% m/m)
A
y = 3,5262x - 0,024R² = 0,9993
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
0,000 0,200 0,400 0,600 0,800Raz
ão d
as á
reas
do
pad
rão
e
pad
rão
inte
rno
Concentração (% m/m)
B
y = 3,5777x - 0,0375R² = 0,9991
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
0,000 0,200 0,400 0,600 0,800Raz
ão d
as á
reas
do
pad
rão
e
pad
rão
inte
rno
Concentração (% m/m)
C
y = 5,2319x - 0,0155R² = 0,9992
0,000
1,000
2,000
3,000
4,000
0,000 0,200 0,400 0,600 0,800
Raz
ão d
as á
reas
do
pad
rão
e
pad
rão
inte
rno
Concentração (% m/m)
D
59
Uma vez que foram modificados fatores relativos à calibração, novas curvas
foram preparadas e analisadas. Além disso, foram comparados os dados obtidos para
a mesma amostra no procedimento proposto e no ensaio de robustez. Estatisticamente,
como na Tabela 20, pode ser observado que para três compostos as variâncias foram
iguais, porém as médias foram consideradas diferentes (Teste t). O fenantreno, por sua
vez, apresentou variâncias diferentes, porém médias comparáveis, para o qual o
procedimento foi robusto. Além disso, é importante pontuar que foi o analito que
apresentou maior sensibilidade ao método, indicado pela sua maior sensibilidade
(coeficiente de inclinação). Dessa forma, a vazão deve ser muito bem controlada para
os analitos. Análises posteriores devem ser feitas de modo a otimizar o procedimento
em todas as variáveis que o influenciam.
4.6.4.3 Precisão
A precisão pode ser definida como a medida da dispersão de resultados de
ensaios independentes, repetidos para uma amostra ou padrões, em condições
experimentais definidas (INMETRO).
Três níveis diferentes caracterizam a precisão de uma medição: a
repetibilidade, precisão intermediária e a reprodutibilidade. No entanto, apenas os dois
primeiros foram avaliados, pois, por definição, a reprodutibilidade deve ser medida em
condições que “incluem diferentes locais, diferentes operadores, diferentes sistemas de
medição e medições repetidas no mesmo objeto ou em objetos similares” (VIM 2012).
Assim, seria necessária a participação em Programas Interlaboratoriais, que muitas
vezes não existem para determinado tipo de procedimento e são extremamente
dispendiosos.
A repetibilidade por sua vez é definida como a concordância entre resultados
medidos de um mesmo procedimento, sob as mesmas condições experimentais.
Numericamente, é calculada pela dispersão entre resultados obtidos para uma mesma
amostra, ou seja, pelos valores de desvio padrão absoluto e coeficiente de variação. Foi
aplicada em todas as medições realizadas neste trabalho.
60
4.6.4.3.1 Precisão Intermediária
É definida como a medida de precisão mais representativa da variabilidade
dos resultados de um laboratório (INMETRO), pois leva em conta situações corriqueiras,
como troca de analistas, equipamentos e intervalos entre as medições. Também
denominada reprodutibilidade interna, avalia a dispersão de valores para uma mesma
amostra, utilizando o mesmo procedimento analítico, porém com alterações nas
condições experimentais anteriormente.
O item selecionado para avaliação foi a diferença entre analistas e o
intervalo de tempo entre as análises. A amostra fortificada foi a relativa a 100% de
concentração de hidrocarbonetos aromáticos (Tabela 5), de modo a avaliar o limite
máximo permitido pela RANP 63 para esta classe.
A fim de se evitar qualquer oscilação instrumental ou ambiental devido à
variação de tempo, foram reinjetados os padrões de calibração, antes de realizar a
reanálise da amostra. Os resultados obtidos são representados na Tabela 15.
Tabela 15 - Comparação dos resultados obtidos para cada analito em condições de
precisão intermediária.
Naftaleno Pentilbenzeno 1-Metilnaftaleno Fenantreno
Analista 1 2 1 2 1 2 1 2
Conc. Teórica (% m/m)
0,125 0,125 0,125 0,125 0,134 0,134 0,129 0,129
Conc. Média (% m/m)
0,120 0,142 0,119 0,142 0,121 0,145 0,133 0,139
Desvio padrão 0,004 0,006 0,004 0,006 0,003 0,005 0,001 0,002
CV (%) 3,33 4,23 3,36 4,23 2,47 3,45 0,752 1,44
Erro relativo à conc.teór. (%)
4,00 13,6 4,80 13,6 9,70 8,21 3,10 7,75
Fonte: Elaborada pela autora
Ao analisar o CV obtido pelo analista 2, são observados valores altos,
indicando uma falha operacional ou oscilações no sinal do equipamento na semana
seguinte ao primeiro experimento (analista 1). Isso vai de encontro também com os
valores obtidos com relação ao erro relativo à veracidade.
61
4.7 Aplicação na quantificação de outros HAs
Idealmente, todos os compostos aromáticos encontrados em diferentes
tipos de bioquerosene de aviação deveriam ser analisados. Porém, isso não é viável na
prática. Como explicado previamente, foram selecionados padrões de hidrocarbonetos
aromáticos de modo a estender as classes que poderiam ser representadas. Dessa
forma, foram analisados aromáticos com um único anel (pentilbenzeno); dois anéis
(naftaleno e 1-metilnaftaleno) e com três (fenantreno).
Foi feito um estudo para avaliar a aplicabilidade das curvas analíticas
criadas para cada composto em diferentes casos. A partir da solução trabalho de
0,125% m/m de concentração foram feitos cálculos empregando cada uma das curvas
construídas como modelos de calibração. A Tabela 16 e Tabela 17 apresentam os
resultados desse experimento.
Tabela 16 - Concentrações teóricas e parâmetros de cada curva analítica
Pentilbenzeno Naftaleno Metilnaftaleno Fenantreno
Concentração (%m/m)
0,125 0,125 0,134 0,129
Intercepto -0,0311 -0,0403 -0,0620 0,0137
Coeficiente de sensibilidade
3,565 3,543 3,570 5,017
Fonte: Elaborada pela autora
A primeira observação já pode ser feita em relação à sensibilidade do
procedimento implantando para cada analito. O fenantreno apresentou maior diferença
em relação aos outros, exibindo uma sensibilidade maior. Dessa maneira, é esperado
que pequenas variações possam afetá-lo mais pronunciadamente.
62
Tabela 17 - Resultados obtidos pela análise de cada analito em curvas analíticas construídas com diferentes padrões
Fonte: Elaborada pela autora
De forma geral, o fenantreno foi o composto que menos se adequou as outras curvas. Isso pode ser explicado por apresentar três
anéis, o que o torna o único de sua classe. Assim, em todas as outras curvas, apresentou grandes erros relativos. Da mesma forma, ratificando
a teoria anterior, quando analisados na curva analítica do fenantreno, todas as outras substâncias apresentaram erros relativos significativos.
Interessantemente, foi o analito que teve menor coeficiente de variação entre suas sete replicatas em todos os casos, possivelmente
por sua maior estabilidade, causada pela alta massa molar e estrutura molecular. O pentilbenzeno e Naftaleno se apresentaram relativamente
compatíveis, com baixos erros relativos, o que pode ser interpretado pela proximidade de números de carbono em cada um (C11 e C10,
respectivamente), a qual gera indiretamente características similares no sistema cromatográfico de detecção utilizado. Por essa hipótese, era
de se esperar que o 1-metilnaftaleno também fosse adaptável. De fato, ao observar a análise dos compostos por sua curva, com exceção do
fenantreno, são encontrados baixos erros.
Em todos os casos, os erros e dispersões de resultados relativos ao 1-Metilnaftaleno foram consideráveis. Uma vez mais, isso pode
ser facilmente explicado pela dificuldade encontrada ao analisar seu pico, gerando menor reprodutibilidade na integração manual de cada análise.
Curva/Analito
Naftaleno Pentilbenzeno 1-Metilnaftaleno Fenantreno
Conc. Média
(% m/m)
Desv. Pad.
CV (%)
Erro relativo
(%)
Conc. Média
(% m/m)
Desv. Pad.
CV (%)
Erro relativo
(%)
Conc. Média
(% m/m)
Desv. Pad.
CV (%)
Erro relativo
(%)
Conc. Média
(% m/m)
Desv. Pad.
CV (%)
Erro relativo
(%)
Naftaleno 0,121 0,004 3,31 3,03 0,124 0,004 3,23 0,727 0,122 0,004 3,28 8,78 0,203 0,002 0,985 57,3
Pentilbenzeno 0,118 0,004 3,39 5,70 0,121 0,004 3,31 3,40 0,119 0,004 3,36 11,3 0,199 0,002 1,01 54,4
Metilnaftaleno 0,13 0,04 3,1 1,1 0,129 0,004 3,10 3,37 0,127 0,004 3,15 4,95 0,207 0,002 0,966 60,8
Fenantreno 0,075 0,003 4,00 40,2 0,077 0,003 3,90 38,5 0,076 0,003 3,95 43,6 0,133 0,001 0,752 2,76
63
Diante destas análises, foi possível concluir que é razoável utilizar as curvas
construídas como base de quantificação de outros hidrocarbonetos aromáticos que
possam ser encontrados na matriz de bioquerosene de aviação, de acordo com a sua
classe. Isso demonstra que o procedimento analítico proposto tem alta aplicabilidade e
adaptabilidade.
64
5 CONCLUSÃO
Em um laboratório de rotina, a frequência analítica e o baixo de custo de
análise são alguns dos aspectos de mais alta relevância. O procedimento proposto
apresenta a possibilidade de realizar a análise de hidrocarbonetos aromáticos de forma
mais prática e em um equipamento que em geral já está inserido no contexto desses
laboratórios, o GC-MS. Somando-se a isso, o gasto em solventes e aparatos para a
extração e separação da amostra é eliminado, além do ganho em reprodutibilidade, uma
vez que é diminuída a intervenção do operador na realização do ensaio.
Após a determinação da composição do material, foram definidas as
condições ótimas de análise. A fortificação da amostra foi imperativa para o estudo, uma
vez que a quantidade encontrada inicialmente de HA era muito pequena ou ausente. O
uso de padronização interna foi necessário, a fim de reduzir erros relativos ao sistema
de injeção e oscilações instrumentais. A análise por GC-FID proporcionou um nível de
conhecimento maior dos padrões aplicados, no que diz respeito à pureza. Entretanto,
foi apenas uma estimativa, uma vez que é passível de coeluições com impurezas e não
é seletivo.
Para a faixa de trabalho selecionada, 0,01 % m/m a 0,75 % m/m, o
procedimento se mostrou linear e com boa correlação. Tal conclusão é importante para
a aplicação desejada, já que tal intervalo engloba o limite máximo especificado pela
RANP 63. Além disso, como geralmente Querosenes de Aviação Alternativos possuem
inerentemente baixo teor de HA, o limite inferior foi posicionado 50 vezes abaixo da
determinação (0,5 % m/m).
Considerando a presença de efeito de matriz pela análise de amostras
fortificadas, todo estudo de validação foi realizado com o preparo em presença da
matriz. Na ausência de MRC e na verificação de baixa ou nenhuma quantidade de HA
na amostra, o próprio material foi utilizado para a realização de ensaios de recuperação
e veracidade.
65
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO, GÁS NATURAL E BIOCOMBUSTÍVEIS. RESOLUÇÃO N°63: DE 5.12.2014 - DOU 8.12.2014
AGÊNCIA NACIONAL DE VIGILÂNCIA SANITÁRIA (ANVISA); Resolução RE nº 899, de 29/05/2003.
AMYRIS-TOTAL BIOJET FUEL - Brealthrough Solution for Aviation. Disponível em: <http://www.icao.int/Meetings/EnvironmentalWorkshops/Documents/2014-GreenTechnology/7_Garcia-Marchand_TOTAL.pdf>. Acesso em 24 abr.2016
ARAÚJO, P. H. M. Obtenção de Bioquerosene de Aviação “ Drop in ” por Pirólise Rápida e Desoxigenação Catalítica a partir do Licuri ( Syagrus coronata) - Dissertação de mestrado . 2014
ASSOCIAÇÃO GRUPO DE ANALISTAS DE RESÍDUOS DE PESTICIDAS (GARP); Manual de Resíduos de Pesticidas em Alimentos (apostila), 1999.
ASTM D2549. Standard Test Method for Separation of Representative Aromatics and Nonaromatics Fractions of High-Boiling Oils by Elution Chromatography 1. v. 02, n. Reapproved 2012, p. 1–6, 2014.
ASTM. D7566,“Standard specification for aviation turbine fuel containing synthesized hydrocarbons”. p. 1–30, 2011.
BELLER, H. R.; LEE, S.; KATZ, L. Natural products as biofuels and bio-based chemicals: fatty acids and isoprenoids. Natural Product Reports, v. 32, p. 1508–1526, 2015.
BERNABEI, M. et al. D etermination of total and polycyclic aromatic hydrocarbons in aviation jet fuel. Journal of Chromatography A, v. 985, p. 197–203, 2003.
BLAKEY, S.; RYE, L.; WILSON, C. W. Aviation gas turbine alternative fuels: A review. Proceedings of the Combustion Institute, v. 33, n. 2, p. 2863–2885, 2011.
CHIARAMONTI, D. et al. Sustainable bio kerosene: Process routes and industrial demonstration activities in aviation biofuels. Applied Energy, v. 136, p. 767–774, 2014.
CHUCK, C. J.; DONNELLY, J. The compatibility of potential bioderived fuels with Jet A-1 aviation kerosene. Applied Energy, v. 118, p. 83–91, 2014.
CORTEZ, L. A. B. et al. Plano de voo para biocombustíveis de aviação no Brasil: Plano de ação. Fapesp, v. 1, p. 60, 2013.
DIAS, A. N. Determinação Simultânea De Glicerol Livre E Total , Mono- , Di- E Triglicerídeos Em Biodiesel Etílico De Girassol , Mamona E Da Mistura De Sebo E Soja Empregando Gc-Fid. Dissertação de mestrado 2010.
GENÇSÜ, I.; HINO, M. Raising Ambition to Reduce International Aviation and Maritime Emissions. p. 1–24, 2015.
66
INMETRO. Orientação sobre validação de métodos de ensaios químicos. DOQ-CGCRE-008. Rev. 02 - Junho 2007
INMETRO. Vocabulário Internacional de Metrologia - Conceitos fundamentais e gerais e termos associados. Rio de Janeiro - 2012
KANDARAMATH HARI, T.; YAAKOB, Z.; BINITHA, N. N. Aviation biofuel from renewable resources: Routes, opportunities and challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 42, p. 1234–1244, 2015.
LLAMAS, A. et al. Biokerosene from coconut and palm kernel oils: Production and properties of their blends with fossil kerosene. Fuel, 102, p. 483-490, 2012.
MAPA. Manual de Garantia da Qualidade Analítica - Resíduos e Contaminantes em Alimentos. Brasília, 2011.
PETROBRAS. Querosene de Aviação - Informações técnicas. 2014
PERLINGEIRO, C. A. Biocombustíveis: Fundamentos, Aplicações e Perspectivas. 1ª ed.Rio de Janeiro: Editora Synergia, 2014.
RIBANI, M.; et al. Validação em métodos cromatográficos e eletroforéticos. Química Nova, v. 27, n. 5, p. 771-780, 2004.
SILVÉRIO, F. O.; BARBOSA, L. C. A.; PILÓ-VELOSO, D. A pirólise como técnica analítica. Quimica Nova, v. 31, n. 6, p. 1543–1552, 2008.
SOUSA, F. P. Produção de biodiesel, diesel verde e bioquerosene de aviação via catálise heterogênea. Tese de doutorado - UFMG, 2016
THEGARID, N. et al. Second-generation biofuels by co-processing catalytic pyrolysis oil in FCC units. Applied Catalysis B: Environmental, v. 145, p. 161–166, 2014.
THOMPSON, M.; ELLISON, S. L. R.; WOOD, R. Harmonized Guidelines for Single Laboratory Validation of Methods of Analysis (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry, v. 74, n. 5, p. 835-855, 2002
TOOP, B. G. et al. Accounting methods for biojet fuel - Final report. 2014.
WILSON, K.; WALKER, J. Principles and Techniques of Biochemistry and Molecular
Biology, 7ed. 2010
67
7 ANEXOS
Tabela 18 - Características físico-químicas requeridas e seus respectivos ensaios
CARACTERÍSTICA UNIDADE LIMITE
MÉTODOS
ABNT NBR
ASTM
APARÊNCIA
Aspecto
- Claro, límpido e isento de água não
dissolvida e material sólido à
temperatura ambiente
Visual Visual D4176
(Procedimento 1)
Cor (2) - Anotar 14921 D156
- D6045
Partículas contaminantes, máx. (3) mg/L 1 - D5452
COMPOSIÇÃO
Acidez total, máx. mg KOH/g 0,015 - D3242
Aromáticos, máx. ou % volume 25 14932 D1319
Aromáticos totais, máx. (4) % volume 26,5 - D6379
Enxofre total, máx. % massa 0,3 6563 D1266
- D2622
14533 D4294
- D5453
68
Enxofre mercaptídico, máx. ou, % massa 0,003 6298 D3227
Ensaio Doctor (5) - negativo 14642 D4952
Componentes na expedição da refinaria produtora (6)
Fração hidroprocessada % volume anotar - -
Fração severamente hidroprocessada % volume anotar - -
VOLATILIDADE
Destilação (7) ºC 9619 D86
P.I.E. (Ponto Inicial de Ebulição) anotar
10% vol. recuperados, máx. 205
50% vol. Recuperados anotar
90% vol. Recuperados anotar
P.F.E. (Ponto Final de Ebulição), máx. 300
Resíduo, máx. % volume 1,5
Perda, máx. % volume 1,5
Ponto de fulgor, mín. ºC 40,0 ou
7974 - D56 D3828 38
Massa específica a 20ºC kg/m3 771,3 7148 D1298
-8 - 14065 D4052
836,6
FLUIDEZ
69
Ponto de congelamento, máx ºC -47
7975
D2386 (9) D5972 D7153 D7154
-
-
-
Viscosidade a -20ºC, máx. mm2/s 8 10441 D445
COMBUSTÃO
Poder calorífico inferior, mín. MJ/kg 42,8 - D4529 D3338 D4809
Ponto de fuligem, mín. ou Ponto de fuligem, mín. e Naftalenos, máx.
mm 25 11909
D1322 D1840 mm % volume 19 -
3
CORROSÃO
Corrosividade à prata, máx. 1 - -10
Corrosividade ao cobre (2h a 100ºC), máx. 1 14359 D130
ESTABILIDADE
Estabilidade térmica a 260ºC (11) - D3241
Queda de pressão no filtro, máx. mm Hg 25 - -
Depósito no tubo (visual) -
< 3
- - (Não poderá ter depósito de cor anormal ou de
pavão)
CONTAMINANTES
Goma atual, máx. (12) mg/100 mL 7 14525 D381
Índice de separação de água, MSEP (13) - D3948
70
Com dissipador de cargas estáticas, mín. - 70
Sem dissipador de cargas estáticas, mín. - 85
CONDUTIVIDADE
Condutividade elétrica (14) pS/m 50 - 600 - D2624
LUBRICIDADE
Lubricidade, BOCLE máx. (15) Mm 0,85 - D5001
ADITIVOS (16)
Antioxidante (17) mg/L 17,0 - 24,0 - -
Desativador de metal, máx. (18) mg/L 5,7 - -
Dissipador de cargas estáticas, máx. (19) mg/L 5 - -
Inibidor de formação de gelo (20) % volume 0,10 - 0,15 - -
Detector de vazamentos, máx. (21) mg/kg 1 - -
Melhorador da lubricidade -22 - -
Fonte: RANP 63
71
Tabela 19 - Comparação entre o procedimento em solvente e o matrizado por meio da análise das médias e variâncias das curvas analíticas construídas
Procedimento Testes de hipóteses
Em solvente Matrizado
Padrão Média Desvio padrão
n Média Desvio padrão
n F calc F tab Variâncias t calc t tab Médias
Naftaleno 3,95 0,06 7 3,54 0,03 7 4,79 5,05 Iguais 59,3 2,23 Diferentes
Pentilbenzeno 3,6 0,1 7 3,56 0,03 7 17,9 5,05 Diferentes 0,260 2,45 Iguais
Metilnaftaleno 4,03 0,08 7 3,57 0,06 7 1,81 5,05 Iguais 39,2 2,23 Diferentes
Fenantreno 3,96 0,04 7 5,02 0,06 7 2,43 5,05 Iguais 126 2,23 Diferentes
Fonte: Elaborada pela autora
Tabela 20 - Ensaio de robustez para fluxo de gás de arraste do procedimento proposto
Procedimento Testes de hipóteses
Proposto Ensaio de Robustez
Padrão Média Desvio padrão
n Média Desvio padrão
n F calc F tab Variâncias t calc t tab Médias
Naftaleno 0,126 0,004 7 0,122 0,002 7 3,91 4,28 Iguais 6,97 2,18 Diferentes
Pentilbenzeno 0,125 0,004 7 0,123 0,002 7 3,32 4,28 Iguais 5,35 2,18 Diferentes
Metilnaftaleno 0,130 0,003 7 0,129 0,003 7 1,35 4,28 Iguais 2,45 2,18 Diferentes
Fenantreno 0,134 0,004 7 0,132 0,001 7 14,3 4,28 Diferentes 0,803 2,37 Iguais
Fonte: Elaborada pela autora.
72
Figura 27 - Espectro de massa do padrão benzofenona, com seus fragmentos característicos e similaridade
Figura 28 - - Espectro de massa do padrão fenantreno, com seus fragmentos característicos e similaridade
73
Figura 29 - - Espectro de massa do padrão metilnaftaleno, com seus fragmentos característicos e similaridade
Figura 30 - Espectro de massa do padrão naftaleno, com seus fragmentos característicos e similaridade
74
Figura 31 - Espectro de massa do padrão pentilbenzeno, com seus fragmentos característicos e similaridade