UNIVERSIDADE DE SO PAULO CENTRO DE ENERGIA NUCLEAR NA AGRICULTURA

ANA CAROLINA RIBEIRO GRANJA

Separao dos istopos estveis de boro, por troca inica em sistema cascata, e obteno de H310BO3 enriquecido em 10B

Piracicaba 2013

1

ANA CAROLINA RIBEIRO GRANJA

Separao dos istopos estveis de boro, por troca inica em sistema cascata, e obteno de H310BO3 enriquecido em 10B

Verso revisada de acordo com a Resoluo CoPGr 6018 de 2011

Tese apresentada ao Centro de Energia Nuclear na Agricultura, Universidade de So Paulo, para obteno do ttulo de Doutor em Cincias

rea de Concentrao: Qumica na Agricultura e no Ambiente

Orientador: Prof. Dr. Jos Albertino Bendassolli

Piracicaba

2013

2

AUTORIZO A DIVULGAO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER

MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA,

DESDE QUE CITADA A FONTE.

Dados Internacionais de Catalogao na Publicao (CIP)

Seo Tcnica de Biblioteca - CENA/USP

Ribeiro-Granja, Ana Carolina

Separao dos istopos estveis de boro, por troca inica em sistema cascata, e obteno de H310BO3 enriquecido em 10B / Ana Carolina Ribeiro Granja; orientador Jos Albertino Bendassolli. - - Verso revisada de acordo com a Resoluo CoPGr 6018 de 2011. - - Piracicaba, 2013.

115 f.: il.

Tese (Doutorado Programa de Ps-Graduao em Cincias. rea de Concentrao: Qumica na Agricultura e no Ambiente) Centro de Energia Nuclear na Agricultura da Universidade de So Paulo.

1. Compostos de boro 2. Enriquecimento isotpico 3. Istopos estveis

4. Traadores isotpicos 5. Cromatografia de troca inica I. Ttulo

CDU 543.544.14 : (544.582.4 + 546.27)

3

Dedico

Ofereo

Aos meus pais, Dorival e Anglica por

todo carinho, confiana e que por

tantas vezes renunciaram seus sonhos

para realizarem os meus

Aos meus irmos Marco

Aurlio e Ana Letcia que sempre esto

torcendo por mim

Ao meu esposo, Paulo Csar,

pelo seu apoio, amor e dedicao, e que no

mede esforos para me acompanhar

Ao meu sobrinho Matheus

Vinicius pelo amor incondicional

4

5

AGRADECIMENTOS A Deus pelo dom da vida e que se fez presente em todos os momentos.

Ao Professor Jos Albertino Bendassolli, pela orientao, oportunidade, amizade e

apoio para execuo desse trabalho. Agradeo por todo conhecimento

compartilhado ao longo desses quatro anos e por contribuir para o meu crescimento

profissional e intelectual.

Ao Professor Michael Eugne Wieser, da Universidade de Calgary, pelo apoio e

entusiasmo na realizao de parte importante desta Tese.

Ao Centro de Energia Nuclear na Agricultura (CENA) da Universidade de So Paulo

(USP), pela estrutura oferecida para o desenvolvimento do trabalho.

FAPESP pelo apoio financeiro (Processo 2008/03503-5) e pela concesso da

bolsa de doutorado (Processo 2009/01364-0).

Universidade de Calgary pela oportunidade de realizao do doutorado sanduche

entre outubro de 2011 a abril de 2012, em especial ao Professor Michael Eugne

Wieser.

Ao professor Cassio Hamilton Abreu Junior do Laboratrio de Anlise e Referncia

em Amostras Ambientais e Fertilizantes do CENA/USP, Dr. Felipe Villanueva e a

Henriqueta Maria G. Fernandes, pelo auxlio nas anlises isotpicas.

Aos pesquisadores do Laboratrio de Istopos Estveis do CENA/USP, Professor

Paulo Csar O. Trivelin, Professor Jefferson Mortatti e Professor Helder de Oliveira

pelo apoio e estmulo.

6

equipe do Laboratrio de Istopos Estveis do CENA/USP: Hugo Batagello,

Miguel Baldessin, Jos Bonassi, Magda Bartolamei, Juliana Oliveira, Glauco

Tavares, Ana Paula Duarte pelo auxlio.

Aos funcionrios Clelber Vieira Prestes e Bento Moambique de Moraes Neto,

grandes amigos, que estiveram presente quando precisei, por colaborar

intensivamente na realizao deste trabalho e pelo prazeroso convvio.

Aos colegas ps-graduandos do CENA/USP: Andr, Alexandre, Alexssandra,

Claudinia, Josiane, Graziela, Diego, Karine, Joo, Ndia, Otto, Michele, Carlos,

Felipe, Evandro, Hugo pelo respeito e amizade.

Aos colegas da Universidade de Calgary: Kerry Miller, Michael McBeth, Bernadette,

Bridgetti, Leah Ophelia que me acolheram e tornaram a jornada mais agradvel.

Aos estagirios que passaram pelo laboratrio de Istopos Estveis e que

desempenharam um excelente trabalho.

Aos funcionrios da biblioteca, e em especial, a Marlia, Raquel, Renata, Celsinho e

Adriana pelo auxlio e amizade.

Aos funcionrios da manuteno do CENA/USP pelo apoio tcnico.

A todos aqueles que, embora no citados nesse texto, contriburam para a

realizao deste trabalho.

7

$YHUGDGHLUDYLDJHPGHGHVFREULPHQWRQmRFRQVLVWH

em procurar novas paisagens, PDVHPWHUQRYRVROKRV

(Marcel Proust)

8

9

RESUMO

RIBEIRO-GRANJA, A. C. Separao dos istopos estveis de boro, por troca inica em sistema cascata, e obteno de H310BO3 enriquecido em 10B. 2013. 115 f. Tese (Doutorado) Centro de Energia Nuclear na Agricultura, Universidade de

So Paulo, Piracicaba, 2013.

O mtodo cromatogrfico de troca inica, em colunas de resina foi empregado no

estudo do enriquecimento isotpico de 10B e H310BO3. Em dois sistemas

cromatogrficos de colunas (S1: seis colunas de acrlico de 1800 mm de

comprimento e 70 mm de dimetro interno; S2: seis colunas de acrlico de 1800 mm

de comprimento e 30 mm de dimetro interno) foi estudado a separao do istopo 10B, no equilbrio envolvendo cido brico em soluo aquosa e ons borato

adsorvidos em resina aninica do tipo amnio quaternrio (Dowex 1X8), 100 200

PHVK2Vsistemas de produo de H310BO3 foram avaliados individualmente e em

processo cascata, com transferncia de 10B entre os dois sistemas. As

determinaes de B no presente trabalho foram avaliadas por espectrometria de

massas com plasma e espetrometria de massas por termoionizao. No sistema S1 de colunas aps 243 m (135 DBC) de deslocamento foi possvel obter um

enriquecimento mdio, nos ltimos 20 cm, de 40 % em tomos de 10B,

correspondendo a 2830 mg de H310BO3. Essa massa foi transferida (interao) para

o sistema S2 de colunas que apresentava, nos ltimos 20 cm da banda,

enriquecimento mdio de 47,8 % em tomos de 10B e essa nova banda

cromatogrfica foi deslocada por 21,6 m, obtendo-se no ltimo centmetro da banda

(1 0 cm) da frao enriquecida 82 % em tomos de 10B. O fator de fracionamento

) e a altura equivalente de uma placa terica dos istopos estveis de B (10B e 11B)

foi determinado como sendo 1,0245 e 0,30 cm, respectivamente.

Palavras-chave: 10B. cido brico. Cromatografia de troca inica. ICP-MS. TIMS.

10

11

ABSTRACT

RIBEIRO-GRANJA, A. C. Separation of Boron Stable Isotope by Ion Exchange Chromatography using cascade system and obtaining of H310BO3 enriched in 10B. 2013. 115 f. Tese (Doutorado) Centro de Energia Nuclear na Agricultura, Universidade de So Paulo, Piracicaba, 2013.

The chromatographic method of ion exchange resin in columns was used to study

the isotopic enrichment of 10B and H310BO3. In two column chromatographic systems

(S1: six acrylic columns 1800 mm length and 70 mm diameter; S2: six acrylic columns

1800 mm length and 30 mm diameter) was studied 10B isotope separation in

equilibrium involving aqueous boric acid and borate ions adsorbed on anionic resin of

the quaternary ammonium type (Dowex 1X8) 100-200 "mesh". The production

systems H310BO3 were evaluated individually and in cascade process with 10B

transfer between both systems. The measurements of B in this study were evaluated

by Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry and Thermal Ionization Mass

Spectrometry. In the S1 columns system displacement after 243 m (135 DBC) was

possible obtain an medium enrichment in the last 20 cm, of 40 % atoms 10B,

corresponding to 2830 mg of H310BO3. This mass was transferred to the S2 column

system which have introduced in the last 20 cm of the band medium enrichment of

47,8 atom% 10B and this new band chromatography was displaced 21,6 m, thus

obtaining the last centimeter band (1-0 cm) from enriched fraction 82 % atoms 10B .

7KHIUDFWLRQDWLRQIDFWRUDQGWKHHeight Equivalent of Theoretical Plate (HETP) of

stable isotopes of B (10B and 11B) was determined like being 1,0245 and 0,30 cm,

respectively.

Keywords: 10B. Boric acid. Ion exchange chromatography. ICP-MS. TIMS

12

13

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Perfil de temperaturas no interior do plasma ....................................... 40

Figura 2 - Processo de ionizao da amostra por termoionizao Filamento

Simples ................................................................................................................ 41

Figura 3 - Esquema de um espectrmetro de massas por termoionizao 42

Figura 4 - Colunas de acrlico com base e topo finalizados para montagem de

sistema cromatogrfico ........................................................................................ 46

Figura 5 - Detalhes da Vlvula de PTFE de 7 vias, para distribuio de fluxos de

solues e efluentes (esgoto e entre colunas) e interligar colunas de resina ...... 47

Figura 6 - Detalhes das peas interna da vlvula de PTFE de 7 vias (conexes,

embolo, arroela, borracha de vedao, entre outros) .......................................... 47

Figura 7 - Detalhes do pisto dimensionado para as colunas do sistema S1

(colunas com dimetro interno de 70 mm) .......................................................... 48

Figura 8 - Detalhes do pisto a ser utilizado no sistema S2 de colunas (dimetro

interno de 30 mm) ............................................................................................... 48

Figura 9 - Reservatrio em fibra de vidro (200 litros) para soluo regenerante

de NaOH, sob presso de N2 gasoso (0,22 MPa) ............................................... 49

Figura 10 - Reservatrio de fibra de vidro (100 litros) para soluo eluente de HCl,

sob presso de N2 gasoso (0,22 MPa) ................................................................ 49

Figura 11 - Detalhes da linha de separao isotpica de B ................................. 50

Figura 12 - Sistema de colunas (sistema S1 e sistema S2) com resina aninica

(Dowex 1X8) para separao dos istopos estveis de B ................................... 51

Figura 13 - Reservatrio, em fibra de vidro para soluo de cido brico ........... 51

14

Figura 14 - Processo de interao (acoplamento) entre os sistemas (S1 e S2)

de colunas contendo resina aninica, no processo de obteno de 10B(OH)3

altamente enriquecido em 10B............................................................................... 55

Figura 15 - Perfil de uma banda de B(OH)3 e B(OH)4- em sistema cromatogrfico

eludo com soluo de HCl ................................................................................... 57

Figura 16 - Espectrmetro de massas com fonte de plasma ............................... 58

Figura 17 - Espectrmetro de massas por termoionizao .................................. 58

Figura 18 - Diluio de amostra utilizando tubos do tipo Falcon ........................... 59

Figura 19 - Fita de rnio utilizado para a montagem do filamento para anlise

isotpica de B ....................................................................................................... 60

Figura 20 - a, b , c) Fita de rnio sendo medida, cortada e prensada em formato

U; d) Filamento sendo montado; e) Fita de rnio sendo soldada no filamento;

f) Filamento preparado para desgaseificao. ..................................................... 62

Figura 21 - Estao de desgaseificao dos filamentos ....................................... 63

Figura 22. Deposio da soluo ativadora (a) e amostra (b); c) Secagem da

amostra ................................................................................................................. 63

Figura 23 - a) Carrossel do espectrmetro de massas por termoionizao com 21

posies; b) Carrossel sendo carregado pelos filamentos prontos ....................... 64

Figura 24 - Espectrofotmetro FEMTO 600S ....................................................... 65

Figura 25 - Reao de dissociao da Azometina-H em soluo aquosa ............ 65

Figura 26 - Bomba peristltica com seis canais .................................................... 66

Figura 27 - Regenerao dos stios ativos da resina aninica Dowex 1X8 (sistema

S1), da forma inicial cloreto (R-Cl-) a forma hidroxila (R-OH-), com soluo

regenerante 2,0 mol L-1 de NaOH ......................................................................... 73

15

Figura 28 - Regenerao dos stios ativos da resina aninica Dowex 1X8 (sistema

S2), da forma inicial cloreto (R-Cl-) a forma hidroxila (R-OH-), com soluo

regenerante 2,0 mol L-1 de NaOH ........................................................................ 73

Figura 29 - Saturao dos stios ativos na forma B(OH)4 no sistema S1 .............. 74

Figura 30 - Saturao dos stios ativos na forma B(OH)4- do sistema S2 ............. 75

Figura 31 Destaque da traseira da banda cromatogrfica sendo eluda com HCl

0,05 mol L-1 ......................................................................................................... 77

Figura 32 - Perfis (5 a 20 DBC) de uma banda de ons B(OH)4- no sistema S1 de

colunas de resina aninicas ................................................................................. 81

Figura 33- Perfis (43 a 149 DBC) de uma banda de ons B(OH)4- no sistema S1 de

colunas de resina aninica ................................................................................... 81

Figura 34 - Rachadura na extenso da coluna e perda parcial da resina aninica e

consequentemente da banda cromatogrfica ...................................................... 83

Figura 35- Acmulo de massa de H310BO3 no decurso dos deslocamentos da

banda cromatogrfica do sistema S1 .................................................................... 87

Figura 36 Perfis (5 a 25 DBC) de uma banda de ons B(OH)4- no sistema S2 de

colunas de resina aninica ................................................................................... 90

Figura 37 Perfis (43 a 127 DBC) de uma banda de ons B(OH)4- no sistema S2

de colunas de resina aninica .............................................................................. 90

Figura 38 - Acmulo de massa de H310BO3 no sistema S2 em funo do

deslocamento da banda cromatogrfica .............................................................. 95

Figura 39 Abundncia isotpica de B (% em tomos de 10B), em amostras de

H310BO3, determinada por TIMS e ICP-MS .......................................................... 102

16

Figura 40 Abundncia isotpica de B (% em tomos de 10B), em amostras de

H310BO3, determinada por TIMS e ICP-MS ........................................................... 102

Figura 41 - Perfil de uma banda de H310BO3 em situao de equilbrio ................ 104

17

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Istopos do elemento boro .................................................................. 24

Tabela 2 - Condies de operao do ICP-MS Agilent 7500ce ........................... 60

Tabela 3 Abundncia de B (% t. de 10B) no perfil de uma banda de H3BO3,

no sistema S1 de colunas cromatogrficas. ......................................................... 80

Tabela 4 Abundncia de B (% t. de 10B), concentrao de B (g L-1) e massa

de 10B e H310BO3 (g), aps 5, 10, 20, 43 e 71 DBC no sistema S1 de colunas ..... 84

Tabela 5 Abundncia de B (% t. de 10B), concentrao de B (g L-1) e massa de

10B e H310BO3 (g), aps 91, 109 e 120 DBC no sistema S1 de colunas ............... 85

Tabela 6 Abundncia de B (% t. de 10B), concentrao de B (g L-1) e

massa de 10B e H310BO3 (g), aps 135 e149 DBC no sistema S1 de colunas ...... 86

Tabela 7 Abundncia de B (% t. de 10B) no perfil de uma banda de

H3BO3, no sistema S2 de colunas cromatogrficas ............................................. 89

Tabela 8 Abundncia de B (% t. de 10B), concentrao de B (g L-1) e massa de

10B e H310BO3 (g), aps 5, 10, 20, 43 e 71 DBC no sistema S2 de colunas ......... 92

Tabela 9 Abundncia de B (% t. de 10B) , concentrao de B (g L-1) e

massa de 10B e H310BO3 (g), aps 64, 79 e 95 DBC no sistema S2 de colunas .. 93

Tabela 10 Abundncia de B (% t. de 10B), concentrao de B (g L-1) e

massa de 10B e H310BO3 (g), aps 110 e 127 DBC no sistema S2 de colunas ..... 94

Tabela 11 Abundncia de B (% t. de 10B) no perfil de uma banda de H3BO3, nos

sistemas S1 e S2 antes do acoplamento ............................................................... 96

Tabela 12 Abundncia de B (% t. de 10B) no perfil de uma banda de H3BO3, no

sistema S2 de colunas cromatogrficas aps do acoplamento ............................ 97

18

Tabela 13 Abundncia de B (% t. de 10B), concentrao de B (g L-1) e

massa de 10B e H310BO3 (g), aps acoplamento dos sistemas S1 e S2 de colunas e

deslocamento de S2 por 21,6 m ............................................................................ 98

Tabela 14 - Abundncia de B (% t. de 10B) no perfil de uma banda de H3BO3,

no sistema S1 de colunas cromatogrficas ........................................................... 100

Tabela 15 - Abundncia de B (% t. de 10B) no perfil de uma banda de H3BO3,

no sistema S2 de colunas cromatogrficas ........................................................... 101

Tabela 16 - Fator de fracionamento LVRWySLFRGH10B e 11B por troca inica

em resina Dowex 1X8, 100-PHVK................................................................ 103

19

LISTA DE SIGLAS

DBC - Deslocamento de Bandas Cromatogrficas

TIMS - Espectrometria de Massas por Termoionizao

ICP-MS - Espectrometria de Massas com Fonte de Plasma

% t. de 10B - % em tomos de 10B

HETP - Height Equivalent of Theoretical Plate

PTFE - Politetrafluoretileno

MPa - megapascal

S1 - Sistema 1

S2 - Sistema 2

20

SUMRIO 1. INTRODUO ................................................................................................. 23

2. REVISO DE LITERATURA ............................................................................ 26

2.1.O B como elemento qumico ........................................................................... 26

2.2. B como nutriente para planta ......................................................................... 27

2.3. O uso dos istopos de B ................................................................................ 29

2.3.1. rea mdica ................................................................................................ 30

2.3.2. rea animal ................................................................................................. 31

2.3.3. rea nuclear ............................................................................................... 31

2.3.4. Agricultura ................................................................................................... 31

2.4. Mtodos de separao dos istopos B .......................................................... 34

2.5. Mtodos de anlise isotpica de B ................................................................ 38

2.5.1. Espectrometria de massas com fonte de plasma ....................................... 38

2.5.2. Espectrometria de massas por termoionizao .......................................... 40

3. MATERIAL E MTODOS ................................................................................. 43

3.1. Material .......................................................................................................... 43

3.1.1. Resina aninicas......................................................................................... 43

3.1.1.1. Sistemas de colunas de resina ................................................................ 43

3.1.2. Equipamentos ............................................................................................. 44

3.1.3. Solues qumicas ...................................................................................... 44

3.1.3.1. Solues empregadas no experimento .................................................... 45

3.1.4. Outros materiais.......................................................................................... 45

3.2. Mtodos ......................................................................................................... 46

3.2.1. Separao dos istopos estveis de B, por cromatografia de troca inica . 46

21

3.2.1.1. Montagem do sistema de troca inica ..................................................... 46

3.2.1.2. Preparo da resina aninica Dowex 1X8 .................................................. 52

3.2.1.3. Preparo da banda de cido brico (H3BO3) ............................................. 52

3.3. Separao de 10B por cromatografia de troca inica em sistema individual de

colunas: Enriquecimento de 10B ........................................................................... 52

3.4. Interao (acoplamento) dos sistemas S1 e S2 ............................................. 54

3.5. Determinao da massa acumulada de 10B e de H310BO3 .......................................... 56

3.6. Determinao isotpica de B (% em tomos 10B), por espectrometria de

massas, em efluente do sistema cromatogrfico ................................................. 57

3.6.1. Preparo das amostras para determinao isotpica de B (% em tomos 10B)

no ICP-MS ............................................................................................................ 59

3.6.2. Preparo das amostras para determinao isotpica de B (% em tomos 10B)

no TIMS ................................................................................................................ 60

3.7. Determinao espectrofotomtrica de B (mg L-1 de B) em efluente do

sistema cromatogrfico ........................................................................................ 64

3.8. Fator de fracionamento da separao dos istopos estveis de B ............... 66

3.9. Altura equivalente de uma placa terica (HETP Height Equivalent of

Theoretical Plate ................................................................................................ 67

3.10. Regenerao dos stios ativos da resina ..................................................... 69

4. RESULTADOS E DISCUSSO ....................................................................... 71

4.1. Regenerao da resina aninica Dowex 1X8 no sistema de separao dos

istopos estveis de B ......................................................................................... 71

4.2. Preparo da banda de cido brico (H3BO3) ................................................... 74

22

4.3. Obteno de 10B(OH)3, por cromatografia de troca inica, em cada um dos

sistemas de colunas de resina (individual) ........................................................... 75

4.4. Obteno de 10B(OH)3, com elevado enriquecimento no istopo de 10B

empregando o mtodo de cromatografia de troca inica em sistema cascata ..... 95

4.5. Determinao da abundncia isotpica de B (% em tomos 10B), em amostras

provenientes do sistema cromatogrfico, por ICP-MS e TIMS ............................. 99

4.6. Fator de fracionamento isotpico .............................................................. 103

4.7. Altura equivalente de uma placa terica (HETP) ........................................... 103

5. CONCLUSO ................................................................................................... 105

REFERNCIAS .................................................................................................... 106

23

1. INTRODUO

Considerado como elemento essencial para o metabolismo das plantas,

animais e seres humanos, o boro (B) um elemento semi-metlico que se apresenta

quase que exclusivamente sob a forma no dissociada de cido brico (H3BO3) e

que o torna, atravs dessa caracterstica, em elemento extremamente mvel no solo

e facilmente lixiviado. Nas plantas, a funo fisiolgica do B difere dos outros

micronutrientes, pois este elemento no foi identificado em nenhum composto ou

enzima especfica (PRADO, 2004). Entretanto, o B tem participao em vrias

reaes biolgicas, como na sntese de protenas e na ativao de enzimas

(LOPES, 1989).

Classificado no grupo de elementos como Si e P, o B absorvido pelas

plantas na forma de cido brico ou on borato e so atribudas a este elemento,

funes como transporte de carboidratos e coordenao com fenis (MENGEL;

KIRBY, 1987).

O B considerado um dos elementos que, com maior freqncia, limita a

produo agrcola. Sendo assim, a fim de suprir a deficincia deste elemento, os

pomares de laranja recebem rotineiramente, via adubao foliar, soluo contendo

este nutriente, alm de Zn e Mn (BOARETTO; TIRITAN; MURAOKA, 1997).

Segundo Malavolta (1981), em vrios estados brasileiros, constatou-se deficincia

de B em culturas de expresso econmica.

A fim de elucidar a dinmica do referido elemento no sistema solo-planta e

alm de, identificar sua participao na composio de compostos ou enzimas

especficas ativas na planta, o uso da tcnica de traador com istopos estveis de

B, constitui-se importante ferramenta para essas avaliaes. Os traadores mais

utilizados so os istopos estveis 10B e 11B. Os radioistopos de B apresentam

meia vida muito baixa e no so adequadas aos estudos agronmicos. Portanto, o

elemento B apresenta vrios istopos estveis e radioativos, que podem ser

observados na Tabela 1.

Na rea biomdica a terapia por captura de nutrons pelo B designa um

procedimento para o tratamento de cncer. Para tanto, administrado ao paciente

em tratamento, compostos enriquecidos em tomos de 10B, entre esses o mais

24

empregado o L-borofenilalanina (L-BPA). Na medicina veterinria, visando

compreender o transporte e distribuio do B no organismo do animal, composto

enriquecido em tomos de 10B tem sido incorporado na dieta de ratos e cachorros

(VANDERPOOL; HOFF; JOHNSON,1994; PISAREV; DRAGOSA; JUVENAL, 2007).

Dessa forma, a separao dos istopos estveis de B (10B e 11B) e obteno

de compostos enriquecidos em 10B, devero proporcionar condies para a

identificao e participao do elemento na planta e, possivelmente, trazer

informaes refinadas objetivando elucidar problemas da produo agrcola

relacionados a este elemento.

Tabela 1 - Istopos do elemento B

Istopo Abundncia isotpica natural (%)

Tipo de desintegrao

Tempo (meia-vida)

8B - + 0,77 s 9B - S 8.10-19 s

10B 19,9 - Estvel 11B 80,1 - Estvel 12B - - 0,020 s 13B - - + n 0,017 s 14B - - 0,013 s 15B - - 0,010 s 16B - n 200 ps 17B - - + n 0,005 s 18B - n 26 ns 19B - - + n 2,93 ms

(s) segundos;(ps )picosegundos; (ns) nanosegundos; (ms) milisegundos Fonte: Adaptado de 7KH%HUNHO\/DERUDWRU\,VRWRSHV3URMHFWV

Sendo assim e a partir do exposto, o presente trabalho teve por objetivo

principal estabelecer um sistema de separao dos istopos estveis de B (10B e 11B) e produo de cido brico com elevado enriquecimento em 10B (60 a 90 %

tomos de 10B), utilizando-se da troca inica (resinas aninicas). Para o

desenvolvimento metodolgico foi empregado o mtodo de cromatografia de troca

inica em sistema cascata, com a interao de dois sistemas cromatogrficos de

colunas de resina.

Para o desenvolvimento do trabalho em apreo compreende, tambm, alguns

objetivos especficos, como: a) montagem dos sistemas de cromatografia de troca

inica; b) preparo da resina aninica Dowex 1X8; c) regenerao dos stios ativos da

25

resina; d) preparo da banda de cido brico (H3BO3); e) obteno de 10B(OH)3, por

cromatografia de troca inica, em cada um dos sistemas de colunas de resina

(individual) e em sistema cascata (acoplamento);f) ; determinao da abundncia

isotpica de B (% em tomos 10B), em amostras provenientes do sistema

cromatogrfico, por ICP-MS e TIMS; g) fator de fracionamento isotpico; h) Altura

equivalente de uma placa terica (HETP).

Outro aspecto importante a ser destacado o desenvolvimento de tecnologia

de separao isotpica e produo de compostos qumicos marcados no istopo

estvel 10B, que no repassada pelos pases que s detm, em razo de interesse

econmico, e muitas vezes, estratgico como no caso dos istopos de B.

importante destacar que, o Laboratrio de Istopos Estveis, nos ltimos

anos, vem desenvolvendo e produzindo compostos enriquecidos em istopos

estveis de elementos leves, com destaque para (15NH4)2SO4 (MAXIMO et al., 2000;

2013) e 34SO2 (BENDASSOLLI et al., 1997) e a partir destes, outros compostos

foram produzidos: 15NH3(aq) e 15NH3 anidra (BENDASSOLLI et al., 2002); Glicina- 15N (TAVARES et al., 2006); (15NH4)2.34SO4 (MAXIMO et al., 2005); Alanina-15N

(OLIVEIRA, 2001); Glifosato-15N (TAVARES, 2010); H15NO3 (6$17$1$),/+2 et

al., 2008); 13CO(15NH2)2 (6$17$1$),/+2 et al., 2013), H234SO4 (ROSSETE et al.,

2001); Ca34SO4.2H2O (ROSSETE et al., 2006); superfosfato simples-34S (ROSSETE

et al., 2008).

26

2. REVISO DE LITERATURA

2.1 O B como elemento qumico

O boro representado pelo smbolo B elemento do grupo III subgrupo A

denominados metalides e apresenta propriedades intermedirias entre os metais e

no metais (MARSCHNER, 1995). Apesar da sua baixa concentrao na crosta

terrestre, o B est amplamente distribudo tanto na litosfera quanto na hidrosfera. A

quantidade de B aumenta com a acidificao das rochas magmticas, enquanto nas

rochas sedimentares o elemento est associado frao de argila. A concentrao

deste elemento varia de 5 a 10 mg kg-1 em rochas (SHORROCKS, 1997), 3 a

30 g kg-1 em rios (POWER; WOODS, 1997) e aproximadamente 4,5 mg kg-1 nos

oceanos (LEMARCHAND et al., 2000). As maiores quantidades de B esto

concentradas em regies que j foram cobertas por oceanos e em sedimentos

marinhos argilceos, portanto a quantidade de B pode servir como indicador de

paleossalinidade (KABATA-PENDIAS; PENDIAS, 1984).

Ao contrrio de outros elementos com nmero reduzido de eltrons e grande

nmero de orbitais disponveis para a ligao qumica, aliado ao seu alto potencial

de ionizao, o B elementar no encontrado na natureza, pois est sempre

combinado com o oxignio para a formao de compostos covalentes. Espcies

como xido de boro (B2O3) normalmente reagem com gua para formar o cido

brico (B(OH)3), que atua como cido fraco, tendendo a formar ons borato (B(OH)4-)

pela incorporao de uma hidroxila sua molcula (KEREN; BINGHAM, 1985).

Descoberto por Gay-Lussac e Thrernard na Frana e Humphry Davy na Gr-

Bretanha (ROYAL SOCIETY OF CHEMISTRY, 2013), o B foi isolado pela primeira

vez em 1808 pelo aquecimento de xido de boro (B2O3) com metal de potssio. O p

preto, acastanhado impuro e amorfo, foi a nica forma de B conhecida por mais de

um sculo (BENTON, 1974).

Naturalmente, ocorrem dois istopos estveis de B (10B e 11B). Estes istopos

apresentam abundncia isotpica natural de 19,9 e 80,1 % em tomos para o 10B e 11B respectivamente (BIEVRE; BARNES, 1985). A existncia do istopo raro mais

leve do B (10B) possibilita a produo de compostos enriquecidos em 10B e o

emprego da tcnica isotpica do traador, na elucidao de muitos aspectos

27

relacionados em diversas reas da cincia, notadamente na agronmica e

biomdica.

2.2 B como nutriente para planta

Em 1910, Agulhon1 citado por Blevins e Lukaszewski (1998) descreveu que

diferentes espcies de plantas apresentavam B na sua composio, todavia, o autor

no conseguiu esclarecer a essencialidade do B. Subsequentemente, Maz2 (1915)

tambm citado por Blevins e Lukaszewski (1998) afirmou que os elementos B,

alumnio, flor e iodo eram essenciais, contudo, seu trabalho experimental foi

questionado pela sociedade cientfica. Porm, em 1923, K. Warrington descobriu a

essencialidade deste elemento para as plantas. O cientista observou a necessidade

de fornecimento contnuo do elemento B visto como importante fator de crescimento

(BLEVIS; LUKASZEWSKI, 1998; DECHEN; HAAG; CARMELLO, 1991). Para

Marschner (1997), o B tem vasta aplicabilidade industrial e tambm um elemento

essencial para as plantas vascularizadas (monocotiledneas, dicotiledneas e

conferas), diatomceas, algumas espcies de alga verde e na fixao de nitrognio

por algumas espcies de cianobactrias.

Nielsen (2002) demonstrou existir evidncias de que o B um elemento

benfico aos seres humanos, especialmente no auxlio da fixao do elemento

clcio por mulheres idosas.

A funo fisiolgica do B difere dos demais elementos, pois o B no foi

identificado em nenhum composto ou enzima especfica, sendo sua essencialidade

determinada pelo critrio indireto (MALAVOLTA, 1980). Dessa forma, apesar da

concordncia de que essencial para as plantas, ainda no foi estabelecida uma

1 AGULHON, H. Presence et utilite du bore chez les vgtaux. Annales de lInstitute Pasteur, Paris, v. 24, p. 321329, 1910. In: In: BLEVINS, D.G.; LUKASZEWSKI, K.M. Boron in plant structure and function. Annual Review of Plant Biology, Palo Alto, v.49, n.1, p.481-500, 1998. 2 MAZ, P. Determination des elements mineraux rares necessaires as development du mais. Compt. Rend. 160: 21114, 1915. In: BLEVINS, D.G.; LUKASZEWSKI, K.M. Boron in plant structure and function. Annual Review of Plant Biology, Palo Alto, v.49, n.1, p.481-500, 1998.

28

funo bioqumica para o B e consequentemente a funo direta deste

micronutriente ainda no est completamente elucidada.

O elemento B absorvido pelas plantas preferencialmente na forma

molecular, H3BO3, e destaca-se a tendncia do elemento a formar complexos

catinicos dentro da planta com compostos orgnicos de configurao cisdiol, como

os acares (DEMBITSKY et al., 2002; FURLANI, 2004). Matoh (1997) constatou

que o B pode ocorrer nas plantas superiores tanto em formas solveis em gua

quanto em formas insolveis.

Na procura de outras funes para o B em plantas, pode-se destacar: a) o

transporte de acares atravs das membranas e o metabolismo de carboidratos; b)

desenvolvimento dos frutos; c) sntese de cidos nuclicos (DNA, RNA -

principalmente na sntese de bases nitrogenadas) e de fitohormnios; d) formao

de paredes celulares e diviso celular; e) ativao dos tecidos meristemticos; f)

importncia no aumento da colheita e produo de sementes (MATOH, 1997;

DECHEN; HAAG; CARMELLO, 1991).

De acordo com Kobayashi, Matoh e Azuma (1996), uma das principais

funes do elemento na planta a participao na formao de um complexo com

ster de B. A formao deste complexo essencial para controle, estrutura e

porosidade da parede celular.

Hu e Brown (1994) observaram que o B est localizado principalmente na

parede celular e em condies limitantes de B, a quantidade do nutriente presente

na parede celular representa 95% do total de B presente na clula.

A importncia deste elemento na produo est relacionada no somente

sua falta, mas tambm ao excesso (MENGEL; KIRKBY, 2001). Formas solveis de B

so facilmente disponveis para as plantas, que podem absorv-lo como cido

brico, bem como outras espcies presentes no meio (DECHEN; HAAG;

CARMELLO, 1991). Para o autor, acredita-se que a propriedade do cido brico de

formar complexos com polissacardeos tem uma importante funo no transporte

passivo. Para Mengel e Kirkby (1987) as funes de transporte de carboidratos e

coordenao com fenis so atribudas ao on borato.

Segundo Gupta (1979), umas das mais rpidas respostas deficincia de B

a inibio ou paralisao do crescimento dos tecidos meristemticos da parte area

e das razes e considera que necessrio um continuo abastecimento B para a

29

manuteno da atividade meristemtica. A razo para esta exigncia em B no

conhecida, mas tem sido mostrado que ele necessrio para a sntese de bases

nitrogenadas como a uracila, a qual componente essencial do RNA e, se ausente,

afetar a sntese de protenas.

A deficincia de B pode prejudicar o crescimento das plantas, reduo na

produo e at mesmo levando planta a morte (SAH; BROWN, 1997). Pode-se

ainda verificar que a deficincia de B tem proporcionado grandes perdas de

produtividade em diversas culturas anuais no Brasil (BATAGLIA; RAIJ, 1990). Para

Dechen, Haag e Carmello (1991), os tecidos parecem duros e quebradios e as

folhas podem tornar-se deformadas e o caule enrugado e rachado, muitas vezes

com manchas. O florescimento afetado severamente. Tanto o sistema radicular

como a parte area so comprometidos e as infeces bacterianas so muitas vezes

consequncia secundria da deficincia. O B freqentemente deficiente nos

pomares paulistas de laranja e por isso recebem rotineiramente adubao foliar com

solues contendo este nutriente, alm de Zn e Mn (BOARETTO; TIRITAN;

MURAOKA, 1997). Vrios estudos demonstram que a adubao foliar de B aumenta

o teor foliar deste nutriente, (SANTOS et al., 1999; TIRITAN, 1996; SILVA, 1996;

CAETANO et al., 1986; CAETANO, 1982).

Considerando que este elemento um dos que, com maior freqncia, limita

a produo agrcola nos solos, Malavolta (1981), constatou deficincia de B em

culturas de expresso econmica em vrios estados. No entanto, Costa et al. (2002),

aplicando B, tanto no solo quanto nas folhas, provocaram aumento na produtividade.

Resultado semelhante foi encontrado por Pavan (1997) quando aplicaes de B no

solo tambm elevaram a produtividade de frutos de macieira.

2.3 Uso dos istopos de B

O uso da tcnica de traador com o istopo estvel 10B, constitui-s em

importante ferramenta para avaliaes da dinmica do B nas reas agrcolas e

veterinria. Na rea biomdica, o elemento tem se destacado no tratamento binrio

para o glioblastoma multiforme, um cncer que afeta as clulas da glia do crebro.

30

Visando avaliar o comportamento deste elemento nos sistemas supracitados,

os traadores mais utilizados so os istopos estveis 10B e 11B. Os radioistopos

(10 radionucldeos Tabela 1) de B apresentam meia vida muito baixa (WEAST,

1988) e no so adequadas aos estudos agronmicos. O 8B o radioistopo com

meia vida mais longa, 0,77s, tempo inexpressvel para trabalhos cientficos

empregando o mesmo como traador.

2.3.1 rea mdica

A terapia de captura de nutrons por boro (BNCT) uma modalidade de

tratamento por radiao, e o seu sucesso depende da deposio do istopo de 10B

nas clulas tumorais seguida pela irradiao por nutrons trmicos, resultando na

produo de partculas ionizantes altamente txicas para as clulas (GONZLEZ et

al., 2004).

A BNCT considerada tratamento binrio, ou seja, dois procedimentos,

ocorrendo, em ambos, pequenos efeitos biolgicos nas clulas normais. Segundo

Barth et al. (2005), o primeiro procedimento inclui a prescrio de um composto

qumico enriquecido em 10B, um istopo no txico e no radioativo. Na sequncia, o

paciente submetido irradiao que utiliza um feixe externo colimado e filtrado de

nutrons em um espectro preferencialmente epitrmico com energias prximas a

2keV.

Na prtica, um composto contendo 10B administrado ao paciente, e

acumulado preferencialmente no tecido neoplsico (tumor). O tumor irradiado com

os nutrons de baixa energia produzidos por reator nuclear, 10B absorve nutrons,

produzindo radiao alfa e partculas de ltio (7Li), de baixa escala, no tumor.

Inmeros trabalhos foram publicados sobre BNCT relatando testes clnicos

em humanos e todos os estudos mostraram dados significantes no controle do

crescimento e na disseminao tumoral.

Os primeiros experimentos clnicos realizados em humanos da terapia de

BNCT em pacientes com cncer foram realizados por Mishima et al. (1989). Aps a

incorporao do composto enriquecido no istopo de 10B, tornou-se possvel a

eliminao do tumor. Menndez et al. (2009), estudaram a terapia em pacientes com

31

cncer localizados nas extremidades do corpo, e encontraram reduo dos ndulos

tumorais com pouca toxidade para os tecidos adjacentes.

2.3.2 rea animal Visando compreender o transporte e a cintica do elemento B, Vanderpool,

Hoff e Johnson (1994) adicionaram na dieta de ratos 20g de um composto

enriquecido no istopo de 10B. Durante os trs primeiros dias aps o incio da dieta,

95% do istopo de 10B foi detectado na urina e 4% nas fezes do animal. A razo 11B/10B foi determinada em delta per mil.

Pisarev, Dagrosa e Juvenal (2007) estudaram a concentrao e distribuio

de B no sangue e tireide em cachorros. Os autores aplicaram o composto

borofenilalanina (BPA) enriquecido no istopo de 10B e com coletas a cada quinze

minutos observaram que a concentrao e distribuio do elemento foi maior no

sangue do que na tireide.

2.3.3 rea Nuclear

A separao dos istopos de B, 10B e 11B, tem importncia considervel na

energia nuclear pelo fato do 10B apresentar uma seo de choque de nutrons da

ordem de 4000 barns, enquanto que o do 11B inferior a 0.05 barns. O 10B

utilizado principalmente como elemento absorvedor de nutrons das barras de

controle dos reatores (MURRAY, 2004). O B sob a forma de soluo de cido brico

tambm empregado na gua do circuito primrio de arrefecimento dos reatores,

objetivando diminuir a reatividade inicial dos elementos combustveis por ocasio da

carga e recarga. Uma outra utilizao do B enriquecido em 10B na indstria nuclear

na confeco de medidores de nutrons (COUTINHO et al., 1990).

2.3.4 Agricultura

Visando a diagnose adequada dos problemas relacionados ao B,

principalmente nas regies onde se pratica agricultura intensiva e naquelas com um

32

potencial agrcola j definido, compostos enriquecidos em 10B podem ser utilizados

como traador na elucidao de parmetros importantes com relao ao elemento.

Estudos para determinar as funes do B nas plantas, bem como, sua mobilidade e

absoro, podem ser realizados com o uso de traadores isotpicos.

Nos ltimos anos, vrios trabalhos foram conduzidos com a utilizao de

compostos marcados em 10B como traadores, para monitorar o deslocamento de B

nas plantas e no solo. Para Brown et al. (1994), o uso do istopo estvel um

mtodo efetivo e barato de monitoramento no estudo do movimento de B no sistema

solo-planta. Aplicao de B enriquecido via foliar ou em soluo nutritiva e sua

absoro nos frutos e castanhas demonstraram que este nutriente pode ser

parcialmente mvel no floema.

Shu, Oberly e Cary (1993) aplicaram 10B sobre a superfcie das folhas de

pessegueiro e aps quatro horas da aplicao, encontrou o elemento marcado em

todas as partes da planta, exceto em razes finas, onde o aparecimento deu-se aps

oito horas. Elevadas abundncias de 10B foram observadas em folhas tratadas,

razes finas e caules verdes aps doze, setenta e duas horas e quatro semanas

aps o tratamento, respectivamente. Por todo tempo, a abundncia de 10B foi maior

nas folhas. O total de 10B absorvido foi pequeno (0,2 % do aplicado), porm mais de

50 % deste foi exportado das folhas tratadas.

Com o mesmo objetivo, Picchioni, Weinbaum e Brown (1995), atravs da

adubao foliar, observaram que a absoro de 10B em folhas de macieira, pereira e

cerejeira, foi de 85-96 %, 24 horas aps a aplicao. Os autores observaram,

tambm, a presena de 10B na seiva do floema de macieira e cerejeira, indicando

transporte pelo floema nessas espcies.

Trabalhando, tambm, com diferentes espcies frutferas, Brown e Hu (1996)

estudaram a mobilidade do B, em condies de campo, e aps tratamento das

folhas com 10B, verificaram que, em espcies cujo acar mais abundante era o

sorbitol, o B apresentou-se mvel, enquanto nas espcies que apresentavam menor

ou nenhuma quantidade de sorbitol, o B apresentou-se imvel. Em espcies ricas

em sorbitol, o 10B foi transportado das folhas tratadas para os frutos adjacentes.

Bellaloui, Brown e Dandekar (1999), objetivando a redistribuio de B,

demonstraram que a incorporao transgnica de genes sintetizadores de sorbitol

33

de macieira em plantas de tabaco resultou em significativa redistribuio de 10B de

folhas para os meristemas.

Com o intuito de avaliar a absoro, a mobilidade e alguns efeitos

morfolgicos e anatmicos do B sobre o cafeeiro, Leite (2002) realizou dois

experimentos em campo e dois em casa de vegetao utilizando-se o cido brico

enriquecido 10B. Segundo o autor, no foram observadas diferenas morfolgicas ou

efeito na produtividade do cafeeiro. Todavia, o uso de 10B permitiu observar o

transporte via corrente de transpirao do nutriente aplicado no substrato e a

mobilidade foi provada ao se encontrar o istopo marcado aplicado via foliar, nas

razes das plantas. Corroboram com o resultado, Lehto, Kallio e Aphalo (2000).

Visando a redistribuio de B, os autores investigaram se o B aplicado nas partes

areas das plantas de Pinus scots e Picea abies L. Karst, na forma de cido brico

(H310BO3), seria translocado para as razes novas de plantas dessas espcies. Os

autores observaram aumento nas quantidades e abundncias de 10B no sistema

radicular de ambas as espcies.

Boaretto (2006) objetivando verificar a absoro de B pelas razes e folhas da

laranjeira, a mobilidade do elemento na planta e quantificar a contribuio da

adubao com B para os frutos da laranjeira observou, na condio de realizao do

experimento em casa de vegetao e aplicao do cido brico enriquecido no 10B,

que o B absorvido da soluo nutritiva foi transportado principalmente para as partes

novas da laranjeira onde se encontrou de 35 a 50 % do 10B absorvido.

Silva (2007) estudou a dinmica do B na mamoneira utilizando compostos

enriquecidos isotopicamente em 10B aplicando H3BO3, sendo 2,7 mg B (84,5 % 10B)

e 1,0 mg B (68,7 % 10B) via foliar e soluo nutritiva, respectivamente. Ocorreram

trs aplicaes a cada duas semanas, da semeadura a colheita. O 10B foi avaliado

das partes da planta: raiz, caule, rquis, frutos e sementes, colhidos 77 dias aps a

semeadura. As anlises isotpicas de B (% em tomos de 10B) nas amostras

decompostas mostraram que a redistribuio de B nesta espcie foi expressiva das

folhas para o fruto; quase ausente, das folhas para as razes; a aplicao de B via

soluo nutritiva se mostrou mais eficiente que a aplicao foliar em elevar o teor de

B na semente ou no fruto.

34

Estudando os efeitos nutricionais da omisso de B, doses de B via foliar,

tempo de absoro e a sua mobilidade em plantas de tomate e beterraba cultivadas

em ambiente protegido, Gondim (2009), realizou quatro experimentos com as

plantas de tomate e da beterraba cultivadas em vasos. Em um dos experimentos o

cido brico enriquecido em 10B foi acrescentado em soluo nutritiva e em outro

experimento, o composto enriquecido foi aplicado via foliar. O autor concluiu que o B

foi rapidamente absorvido pelas folhas, chegando a atingir 50 % do B absorvido,

prximo de dez horas aps aplicao para o tomate e duas horas e meia aps a

aplicao para a beterraba. Observou-se que a aplicao do B via foliar no foi

eficiente para aumentar o teor do micronutriente no tecido novo das hortalias

emitido aps a aplicao, comparado a aplicao do nutriente via raiz, inferindo no

haver mobilidade do B nas culturas do tomate e da beterraba.

Mattiello et al., (2011) observaram a mobilidade de B em plantas de eucalipto

s aps a imerso da folha madura em soluo de H3BO3 enriquecida a 99% em

tomos de 10B. Como o mesmo objetivo de verificar a mobilidade de B em mudas de

pessegueiro Souza, Canesin e Buzetti (2012) conduziram experimento em casa de

vegetao. O cido brico enriquecido em 10B utilizado no experimento foi aplicado

via solo e/ou foliar. Os autores avaliaram a abundncia isotpica de B nas folhas

velhas e nas folhas novas e concluram que h mobilidade de B aplicado via foliar

em mudas de pessegueiro.

2.4 Mtodos de Separao dos istopos de B

Vrios mtodos tm sido propostos para a separao dos istopos estveis

de B (10B e 11B) com conseqente enriquecimento no istopo leve, entre os mtodos

pode-se mencionar: Separao fotoqumica (exemplo Laser de CO2); destilao

fracionada; difuso trmica, cromatografia lquida e cromatografia de troca inica.

No campo da separao isotpica, dois importantes fatores tm sido

fortemente enfatizados por Lin e Porto (1975). Primeiramente, o processo de

fotoqumica deve-se obter um produto isotopicamente enriquecido em maior escala,

e em segundo que a fotoqumica a laser um mtodo limpo para separao

isotpica e pode-se concluir com xito a separao. O sistema constitudo por uma

clula de vidro (tubo) 50 cm de comprimento e 2,5 cm de dimetro e 2 janelas de

35

KBr so colocadas na extremidade para selar o tubo. Um sistema de vcuo

utilizado para controlar a presso do gs e manter condies especficas para

separao isotpica. Uma mistura contendo 10 torr de BCl3, 20 torr de H2 e

aproximadamente 1 g de Ti (ou outro metal) so introduzidos na cmara (Laser de

CO2 Molectron Corparation, Modelo T 250). As condies so obtidas para excitar

preferencialmente as molculas de 11BCl3 e no 10BCl3. A reao fotoqumica para

separao isotpica nestas condies concluda em 1,5 horas. Aps esse tempo

obteve-se 10% de incremento na concentrao de 10BCl3. Outros trabalhos

utilizando laser na dissociao da mistura BCl3/H2 tem sido propostos, mas com

baixo rendimento.

Kronberger e Nettley (1957) descrevem um sistema para separao dos

istopos de B com elevado enriquecimento no istopo leve 10B, utilizando-se da

destilao fracionada de BF3 temperatura de -95oC. Os autores determinaram o

fator de fracionamento (D) e a altura equivalente de uma placa terica (HETP -

Height Equivalent of Theoretical Plate) em uma pequena coluna de vidro, operando

a -100 oC e -115 oC. A concentrao ao longo da coluna com refluxo total possibilitou

verificar a diferena de D e h, sendo D a razo da presso de vapor entre p 11BF3/p10BF3 e h a altura equivalente de uma placa terica. Os autores obtiveram

valores de D = 1,0065 r 0,0003 e h = 2,53 cm para temperatura de destilao de

100 oC.

Makishima, Yoneda e Tajima (1957) determinaram a instabilidade trmica e a

viscosidade do vapor de borato de trimetila, proposto ser excelente para o

enriquecimento isotpico de 10B por difuso trmica.

Yoneda, Uchijima e Makishima (1959) estudaram pela primeira vez a

separao dos istopos de B usando a metodologia de troca inica. Os autores

determinaram o fator de fracionamento dos istopos de B nas reaes de troca entre

soluo aquosa de H3BO3 resina aninica base forte. Com a utilizao de soluo de

H3BO3 0,03 mol L-1 sem e com glicerol (8% (m/m)), obtiveram valores de D de 1,010

e 1,016 respectivamente. Os resultados preliminares mostraram que D aumenta com

o decrscimo da concentrao de H3BO3 e que provavelmente a presena de

glicerol foi responsvel pela diferena nos valores de D obtido para 0,1 mol L-1 em

H3BO3. O glicerol (polilcool) incrementa a acidez ou potencial cido do H3BO3 na

36

soluo e essa diferena tem sido atribuda a maior ionizao do H3BO3 e por

consequncia um incremento no fator de fracionamento (D).

Palko, Begun e Landau (1962) determinaram o fator de fracionamento

isotpico para a troca entre BF3 e BF3O(CH3)2 em sistema de destilao multi-

estgio em diferentes temperaturas. Os resultados encontrados foram D = 1,029 r

0,003; 1,033 r 0,002 e 1,036 r 0,002 para 22oC; 4oC e 8C respectivamente.

Rosset et al. (1964) realizaram um estudo completo sobre a separao dos

istopos de B, utilizando reao de troca isotpica no equilbrio entre H3BO3 em

soluo aquosa e ons borato e poliboratos em resinas trocadoras de anions do tipo

amnio quaternrio amoniacal (RCH2N+(CH3)3). A fase da resina ficou enriquecida

em 10B. O fator de fracionamento decresceu de 1,018 a 1,009, para concentraes

de H3BO3 de 0,01 mol L-1 a 0,75 mol L-1.

Urgel et al. (1964) estudaram a separao dos istopos de B, por

cromatografia de troca inica e obtiveram fator de fracionamento variando de 1,035 a

1,027 em funo da concentrao do H3BO3 e 1,024 para complexo boro-manitol e

1,027 para boro-glicerol. Os autores obtiveram 61% em tomos de 10B, em sistema

de troca inica, com resinas aninicas, carregadas com H3BO3 (H2BO3-) e

deslocamento com HCl 0,1 mol L-1.

Christoph et al. (1976) estimaram o fator de fracionamento (D) para a reao

de troca entre o H310BO3 em soluo e 11B(OH)-4 na fase resina, onde verificou-se

uma dependncia quantitativa de D com a concentrao de H3BO3.

Sakuma et al. (1980) enriqueceram 10B 91% em tomos, partindo da

abundncia de 19,8% pelo simples processo de eluio com gua desionizada de

uma banda de H3BO3 0,1 mol L-1 por 256 m. O sistema era composto por colunas de

resina base fraca Diaon WA 21, 80- PHVK, ligados em srie, e temperatura

mantida 40C.

Itoh et al. (1985) avaliaram a influncia da concentrao de H3BO3 e da

temperatura de operao na separao dos istopos estveis de B. No trabalho foi

empregado resina aninica base fraca Diaion WA 21. O fator de fracionamento (D)

decresceu com o aumento da temperatura e da concentrao de cido brico (D

variou de 1,013 a 1,0073) variando a temperatura e concentrao de H3BO3 de 25oC

(0,1 mol L-1) e 76oC (0,6 mol L-1).

37

Carneiro Junior et al. (1994) avaliaram a separao dos istopos estveis de

B (10B e 11B) por cromatografia de troca inica utilizando colunas de resinas Dowex

1X8 e Dowex 2X8. As colunas apresentavam 100 cm de comprimento e 1,4 cm de

dimetro. No processo a soluo eluente de HCl flui no leito da resina sob presso

da ordem de 0,2 MPa sob atmosfera de N2. O enriquecimento verificado foi de 43 e

40 % em tomos de 10B quando utilizou-se de resina Dowex 1X8 (18,7 m de

deslocamento da banda cromatogrfica) e Dowex 2X8 (13,3 m de deslocamento da

banda cromatogrfica) e soluo 0,1 mol L-1 de H3BO3 como eluente.

Vrios estudos de separao de istopos de B (10B e 11B) por cromatografia

lquida foram realizados com resinas especficas com glucamina com o grupo

funcional n-metil que tm afinidade especfica para H3BO3 e ons borato. Este tipo de

resina fortemente dependente da temperatura e do pH da soluo eluente e o fator

de fracionamento dos istopos de B variou-se entre 1,010 e 1,022 (OI et al., 1997;

SONODA; MAKITA; HIROTSU, 2006).

A dependncia de presso no valor do fator de fracionamento isotpico (D)

baseado na polimerizao do B na fase soluo e na fase resina foi discutida,

observou-se que os valores do fator de fracionamento de B a alta presso, 2,0 MPa

a 25,0 C, utilizando coluna cromatogrfica com resina aninica foi de 1,013, sendo

menor que os valores a 0,1 MPa (presso atmosfrica) (MUSASHI et al., 2006).

A reao de troca qumica gs-lquida outra forma de separao dos

istopos estveis de B, que ocorre por destilao envolvendo o equilbrio isotpico

entre o fluoreto de B gasoso e um fluoreto-doador de B lquido (HAN et al., 2006). A

produo de 10B por reao de troca qumica utilizando fluoreto de B e acetona para

elevada demanda do elemento no adequada, pois a maior limitao desta via de

produo a utilizao de solvente orgnico, acetona, sendo este controlado pela

Polcia Federal dificultando sua aquisio.

Trabalhando com colunas cromatogrficas de ao, Musashi et al., (2008)

avaliaram o fator de fracionamento (D) em relao a variao da presso, 5 e 17

MPa. Os autores puderam observar que quanto maior a presso, menor o fator de

fracionamento.

38

2.5 Mtodos de Anlise isotpica de B

Na qumica analtica, os pesos atmicos dos elementos qumicos so

fundamentais porque permitem relacionar a massa (m) com a quantidade de uma

matria (n). A determinao do peso atmico de um elemento que possuem diversos

istopos requer o conhecimento da massa atmica e a abundncia absoluta de cada

istopo.

So vrias as tcnicas analticas especificas para a determinao de

istopos: espectrometria de massas de razo isotpica, anlise por ativao

neutrnica, mtodos espectroscpicos e ressonncia magntica nuclear, todavia, a

espectrometria de massas apresenta aplicabilidade ao maior nmero de istopos e

permite que as abundncias relativas de diferentes istopos sejam medidas com alta

preciso e exatido (MYUNG et al., 2008).

Dentre as tcnicas analticas para determinao de isotpica de B (% em

tomos de 10B) destaca-se a espectrometria de massas com plasma (ICP-MS) e

espectrometria de massas por termoionizao (TIMS). Segundo De Laeter (1998), a

tcnica analtica mais confivel para medir os istopos a espectrometria de

massas.

Define-se, sinteticamente, o espectrmetro de massas como um equipamento

que tem recursos para produzir, acelerar, transmitir, separar, coletar e medir ons, de

tal forma que a razo das correntes inicas medidas proporcional frao molar

dos istopos da amostra.

2.5.1 Espectrometria de massas com fonte de plasma

A espectrometria de massas com fonte de plasma tcnica analtica

resultante do acoplamento de uma fonte de plasma com um espectrmetro de

massas (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry ICP-MS), e foi descrito

pela primeira vez por Gray em 1974. O ICP-MS um instrumento que separa ons, com base em suas razes

massa-carga (m/z). Os baixos limites de deteco, a seletividade, a preciso, a

exatido e a capacidade multielementar, fazem do ICP-MS uma ferramenta verstil e

largamente usada na identificao dos elementos presentes nas amostras.

39

Segundo Yamada e Okamoto (2001), a espectrometria de massas com fonte

de plasma (ICP-MS) apresenta-se como a melhor opo para a anlise

multielementar e simultnea de elementos, seja em rotina ou pesquisa. Esta tcnica

possui vantagens como: eliminao das interferncias comuns devido s altas

temperaturas do plasma e, principalmente, capacidade de determinao

multielementar, limites de deteco de poucos ng L-1 e faixa linear de ng L-1 a

centenas de mg L-1 (YAMAKA, 2001; WILBUR; SOFFEY; McCURD, 2004). O estado

da arte em anlise de elementos ao nvel ultratrao em amostras ambientais o

ICP-MS com clula de reao e coliso, para remoo de interferentes poliatmicos.

A sensibilidade dessa tcnica da ordem de 104 cps (contagens por segundo)

por g L-1 de cada elemento. Isto aplicando-se a voltagem mxima ao detector e

considerando uma contagem de fundo menor que 50 cps para a maioria dos

elementos, possibilita a varredura dos elementos desde a massa 6 at 238, de ltio

at urnio (GIN-ROSIAS, 1999).

O plasma, gs altamente ionizado, gerado a partir do escoamento, em

presso atmosfrica, de um gs condutor, geralmente o argnio, por campo

magntico induzido por bobina que envolve o tubo no interior do qual o gs escoa. A

partir da fonte de radio-frequncia e operando em potncia de aproximadamente

1300 Watts, o plasma sustentado durante toda a anlise.

As altas temperaturas existentes no interior do plasma permitem que muitos

elementos possam ser facilmente ionizados. A Figura 1 mostra o perfil de

temperaturas existente no plasma. Segundo Gin-Rosias (1999), no ICP-MS, a

amostra usualmente introduzida na forma de soluo convertida pelo nebulizador

em aerossol, que disperso num fluxo transportador de argnio. Aps a nebulizao

e passagem da amostra pela tocha, os ons gerados so conduzidos at o

analisador de massas do tipo quadrupolar - filtro de massas, possibilitando varredura

rpida onde so detectados em sistema multiplicador de eltrons.

Uma soluo de cido brico introduzida no instrumento, sendo vaporizada

ao passar por nebulizador concntrico. O vapor de gua retirado na cmara de

nebulizao. Os ons produzidos so atrados por sistema eletrosttico e

transportados por diferena de presso para o interior da cmara, onde so

40

focalizados, separados de acordo com a relao massa/carga e transmitidos para

um sistema de deteco de ons.

Figura 1 - Perfil de temperaturas no interior do plasma

Fonte: Oliveira Junior (2006)

Shu, Oberly e Cary (1993) demonstraram que o ICP-MS um equipamento

sensvel para determinar a razo isotpica (10B/11B) em amostras de pssego.

Corroborando com o autor, Boaretto (2006) aplicou na laranjeira um composto de B

enriquecido no istopo de 10B e utilizando-se do ICP-MS como ferramenta de

anlise, tornou-se possvel distinguir os istopos estveis de B. Todavia, a

determinao isotpica desse elemento por ICP-MS pode sofrer interferncias do

efeito de memria e da sobreposio do sinal do 12C sobre o 11B. No entanto, a

forma mais simples para minimizar os problemas de interferncias reduzir o

volume e as concentraes de B nas solues introduzidas no plasma (BELLATO,

2004).

2.5.2 Espectrometria de massas por termoionizao

A tcnica da Espectrometria de Massas por Termoionizao (TIMS) consiste

na gerao de ons atravs de evaporao controlada de uma amostra depositada

sobre um filamento de rnio aquecido por meio da passagem da corrente eltrica (i).

Os ons gerados do filamento so acelerados atravs de um gradiente de potencial

eltrico (at 10 kV) e concentrados em um feixe atravs de uma srie de lentes.

O TIMS capaz de fazer medies dos ons positivos e negativos com

acurcia e preciso. Destaca-se que as espcies inicas 133Cs210B16O2+ e 133Cs211B16O2+, massa 308 e 309, respectivamente e 10B16O2- e 11B16O2-, massa 42 e

41

43, respectivamente dos istopos de B so as principais espcies evaporadas. O

esquema do processo de ionizao por termoionizao utilizando a tcnica do

filamento simples apresentado na Figura 2.

Figura 2 - Processo de ionizao da amostra por termoionizao Filamento Simples

Fonte: Adaptado de Oliveira Junior (2006)

O equipamento composto por trs componentes principais: 1) fonte de ons,

regio no qual os ons so produzidos e acelerados; 2) analisador, regio no qual os

ons so separados pela razo massa/carga; e 3) coletor, regio no qual os ons so

medidos simultaneamente (multi-coletor). Na Figura 3, visualiza-se esquema deste

espectrmetro.

O TIMS utilizado para medidas da razo isotpica de elementos usados na

geocronologia e estudos de elementos traos (MUELLER; VERVOORT, 2012). Em

anlises de guas superficiais, Wieser (2009), utilizou o mtodo de anlise de ons

negativos, BO2-, para determinao da variao da abundncia natural dos istopos

de B. Para Spivack e Edmond (1986), a anlise envolvendo ons positivos, massa

308 e 309, reduz a sensibilidade do equipamento nas anlises dos istopos de B.

Xiao, Beary e Fasset (1988) e Kltzli (1992) corroboram com a baixa eficincia das

anlises de ons positivos e propuseram modificaes da tcnica original objetivando

menor fracionamento isotpico durante a anlise.

As vantagens da utilizao desse equipamento destacam-se: a) contribuio

desprezvel do efeito memria entre amostras depositadas em filamentos vizinhos no

carrossel (OLIVEIRA JUNIOR, 2006); b) baixo fracionamento isotpico das amostras

durante a anlise (WALCZYK, 2004); c) capaz de analisar nanograma do material

com alta preciso. Segundo Wieser (2009), possvel analisar 10 ng de B nas

Filamento Simples

Fita de rnio ons

Amostra

42

formas inicas de 10B16O2- (massa 42) e 11B16O2- (massa 43) com preciso melhor

que 0,005% e uma reprodutibilidade 0,05%.

Figura 3 - Esquema de um espectrmetro de massas por termoionizao

Fonte: Oliveira Junior (2006)

43

3. MATERIAL E MTODOS

3.1 Material

Os equipamentos listados foram necessrios para o desenvolvimento do

trabalho, estando esses alocados notadamente no Centro de Energia Nuclear na

Agricultura da Universidade de So Paulo e o nico equipamento, o espectrmetro

de massa por termoionizao (TIMS), no Laboratrio de Cincia Isotpica do

Departamento de Fsica e Astronomia da Universidade de Calgary (Canad).

3.1.1 Resinas aninicas Foi utilizada resina aninica de base forte do tipo poliestireno divinilbenzeno

do tipo Dowex 1X8. A resina apresenta as seguintes caractersticas: 8% de teor de

polimerizao com divinilbenzeno (DVB), grupo funcional CH2N+(CH3)3; 100-200

PHVK e capacidade de troca aninica (Cl-) de 1,2 meq mL-1 (resina mida,

equilibrada em gua).

3.1.1.1 Sistemas de colunas de resina

Para o desenvolvimento do trabalho foram montados dois sistemas (S1 e S2)

de colunas de acrlico transparente. No sistema S1 foram utilizados 6 colunas de

1800 mm de comprimento e 80 mm de dimetro, com 5 mm de espessura da

parede, sendo 70 mm de dimetro interno, preenchidas com 7 litros de resina

aninica.

Para o sistema S2, foram utilizadas 6 colunas de acrlico de 1800 mm de

comprimento e 40 mm de dimetro, com 5 mm de espessura de parede, sendo 30

mm de dimetro interno, preenchidas com 1,3 litros de resina aninica. Para ambos

os sistemas, foram usados pistes de bronze e inox; conexes de silicone e

borracha; anis de neoprene e telas de polister de malha 300.

44

Cabe ressaltar que o laboratrio onde ficavam as colunas trocadores de ons,

era climatizado e a temperatura mdia mantida neste ambiente foi de

aproximadamente, 22 C.

3.1.2 Equipamentos

Para o desenvolvimento do trabalho, os equipamentos descritos a seguir

foram necessrios: Agitador magntico, modelo 257, Fanem; Balana eletrnica

digital modelo ER-182A, range 0,0001g, marca And; Balana eletrnica digital

modelo Mark 2200, range 0,01g, marca Tecnal.

Para a determinao da concentrao de B nos efluentes das colunas

cromatogrficas foi utilizado o sistema automatizado de anlise em fluxo (FIA)

acoplado ao um espectrofotmetro, modelo FEMTO 600S com cela de fluxo com

volume interno de 80 L de passo ptico de 10 mm.

Para as determinaes isotpicas de B (em tomos de 10B) foram utilizados

os seguintes equipamentos: Espectrmetro de massa com plasma indutivamente

acoplado (ICP-MS) marca Agilent, modelo 7500ce, com sistema octopolo de reao,

nebulizador concntrico, com vazo de 1 mL min-1 e sistema de injeo de amostras

em fluxo; Espectrmetro de massa por termoiozinao (TIMS - Thermal Ionization

Mass Spectrometry) marca Thermo-Finnigan, modelo Triton, com multi coletor

equipado com nove coletores Faraday, com capacidade para 21 filamentos, alocado

no Laboratrio de Cincia Isotpica do Departamento de Fsica e Astronomia da

Universidade de Calgary, cidade de Calgary, Provncia de Alberta, Canad.

3.1.3 Solues qumicas

Para o desenvolvimento dos diversos procedimentos analticos descritos

neste trabalho, todas as solues foram preparadas com gua desionizada. Durante

a preparao dos reagentes, armazenamento das amostras e preparao das

amostras para anlises, atentou-se em utilizar apenas recipientes de plstico

objetivando evitar possveis contaminaes com B presente nas vidrarias de

laboratrio (borossilicatos).

45

3.1.3.1 Solues empregadas no experimento

Soluo de hidrxido de sdio (NaOH) 2 mol L-1 preparada

dissolvendo-se 16 kg de NaOH em 200 L de gua;

Soluo de cido clordrico (HCl) 0,1 mol L-1 preparada diluindo-se 834

mL de HCl em 100 L de gua;

Soluo de cido clordrico (HCl) 0,05 mol L-1 preparada diluindo-se

417 mL de HCl em 100 L de gua;

Soluo de cido brico (H3BO3) 0,1 mol L-1 preparada dissolvendo-se

185,4 g de H3BO3 em 30 L de gua;

Soluo de azometina-H 0,7 % (m/v) preparada dissolvendo-se,

inicialmente, 5 g de cido ascrbico (C6H8O6) e aps dissoluo, 1,75 g de

azometina-H em 250 mL de gua;

Soluo Tampo preparada dissolvendo-se, inicialmente, 66 g de

fosfato de amnio ((NH4)2HPO4) e aps dissoluo, 12,5 g de EDTA

(C10H14N2Na2O8.2H2O) em 250 mL de gua.

3.1.4 Outros Materiais Bales volumtricos de plsticos;

Agitador e barra magntica

Bquer de plstico;

Conta gotas de plstico;

Micropipeta de 20, 50, 200, 1000 e 10000 PL;

Provetas;

Tubo do tipo FALCON de 50 mL;

Fitas de rnio

46

3.2 Mtodos

3.2.1 Separao dos istopos estveis de B, por cromatografia de troca inica

O mtodo de separao dos istopos estveis de B consiste na reao de

troca isotpica entre o B(OH)3, na fase aquosa, e nions B(OH)4-, adsorvidos em

resinas de troca aninica do tipo amnio quaternrio, em dois sistemas de colunas.

3.2.1.1. Montagem do sistema de troca inica

Cada coluna (Figura 4) foi constituda, em sua parte inferior, por uma pea

cilndrica presa ao tubo por intermdio de uma rosca. Na base da pea, foi ajustada

uma tela de polister de malha 300, com a finalidade de suportar a resina e permitir

o fluxo das solues com o auxlio de 1 vlvula de PTFE e PVC de sete vias. A

vedao na base da coluna foi obtida com a utilizao de um anel de neoprene

colocado acima da tela. As vlvulas especiais em PTFE de sete vias foram

dimensionadas e montada por empresa especializada, pois no foi encontrada

similar no mercado nacional e at mesmo no exterior. As Figuras 5 e 6 mostram

detalhes da referida vlvula de sete vias.

Figura 4 - Colunas de acrlico ( externo de 80 mm sistema S1 e externo 40 mm sistema S2), com base e topo finalizados para montagem de sistema cromatogrfico

47

Figura 5 - Detalhes da Vlvula de PTFE de 7 vias, para distribuio de fluxos (H3BO3, H2O, NaOH e HCl), fluxo de efluentes (esgoto e entre colunas) e interligar colunas de resina

Figura 6 - Detalhes das peas interna da vlvula de PTFE de 7 vias (conexes, embolo, arroela, borracha de vedao, entre outros)

Na parte superior, por onde foram admitidas as solues, adaptou-se coluna

um pisto de bronze e inox, de corpo cilndrico, com dois anis de neoprene para a

vedao. O pisto desloca para baixo e para cima, possibilitando variar a presso da

cmara de ar no topo da coluna, permitindo o controle do nvel de soluo acima da

resina. Na bDVHGRSLVWmR IRL DGLFLRQDGRXPD WHOD GHQ\ORQGH PHVK FRPR

objetivo de suportar a resina e evitar perdas. Detalhes do pisto para controle de

48

fluxo e nvel de solues no topo das colunas podem ser observados nas

Figuras 7 e 8.

Figura 7 - Detalhes do pisto dimensionado para as colunas do sistema S1 (colunas com dimetro interno de 70 mm)

Figura 8 - Detalhes do pisto a ser utilizado no sistema S2 de colunas (dimetro interno de 30 mm)

Os reservatrios das solues de NaOH e HCl utilizados no processo

regenerativo e enriquecimento de 10B foram construdos em resina estervinlica, com

resistncia qumica aos produtos utilizados no processo de enriquecimento (Figuras

9 e 10). Esses reservatrios ficam localizados ao lado do sistema (Figura 11). O

reservatrio de gua desionizada utilizado no processo de lavagem fica localizado

4 metros acima do sistema cromatogrfico.

49

Figura 9 - Reservatrio em fibra de vidro (200 litros) para soluo regenerante de NaOH, sob presso de N2 gasoso (0,22 MPa)

Figura 10 - Reservatrio de fibra de vidro (100 litros) para soluo eluente de HCl, sob presso de N2 gasoso (0,22 MPa)

50

A eluio das solues de NaOH e HCl, envolvidos no processo de

regenerao e enriquecimento, foi realizado com auxlio de nitrognio gasoso sob

presso de 0,22 MPa. A gua desionizada utilizada no processo de lavagem flui pelo

leito fixo da coluna de resinas por ao gravitacional. O sistema cromatogrfico

completo a ser empregado para a separao dos istopos estveis de B pode ser

observado na Figura 12.

A fonte de B, no sistema de separao isotpica, foi obtida a partir da soluo

de H3BO3, com concentrao de 0,1 mol L-1, e foi admitida no sistema

cromatogrfico a partir de um reservatrio, em fibra de vidro, sob atmosfera de N2 (0,22 MPa), especialmente projetado e construdo para esse fim. A soluo de cido

brico apresentava abundncia isotpica natural para os istopos estveis de B

(19,8 % tomos de 10B). A Figura 13 apresenta o reservatrio para a carga de

H3BO3.

Figura 11 - Detalhes da linha de separao isotpica de B (reservatrios, distribuio de solues, sistema de gs N2, suportes, grade em ao inoxidvel, equipamentos, entre outros).

51

Figura 12 - Sistema de colunas (sistema S1 e sistema S2) com resina aninica (Dowex 1X8) para separao dos istopos estveis de B

Figura 13 - Reservatrio, em fibra de vidro para soluo de cido brico (carga da resina aninica Dowex 1X8)

52

3.2.1.2 Preparo da resina aninica Dowex 1X8

Previamente a acomodao nas colunas, as resinas foram lavadas vrias

vezes com gua desionizada, objetivando remover possveis resduos orgnicos do

processo de fabricao. Nas colunas, as resinas foram regeneradas forma

hidroxila e cloreto, alternadamente por 3 ciclos, utilizando solues 2 mol L-1 de

NaOH e 1,0 mol L-1 de HCl. Esse procedimento alm de eliminar impurezas,

objetivou ativar os stios ativos das resinas. Aps esta etapa providenciou-se a

lavagem do leito da resina com gua desionizada para posterior carga dos stios

ativos da resina com soluo 0,1 mol L-1 de H3BO3 e consequentemente a formao

da banda cromatogrfica.

3.2.1.3 Preparo da banda de cido brico (H3BO3) Com a resina no estado inico OH-, fez-se fluir pela coluna, a uma velocidade

de fluxo de 1,0 a 3,0 mL cm-2 min-1, soluo 0,1 mol L-1 de H3BO3, com razo

isotpica natural de 10B e 11B. O comprimento da banda cromatogrfica de cido

brico foi de 130 cm e a mesma foi formada individualmente, para os dois sistemas

S1 e S2. Aps a formao da banda, iniciou-se o deslocamento da mesma com

soluo 0,05 mol L-1 de HCl com taxa de fluxo de 1,0 a 3,0 mL cm-2 min-1.

3.3 Separao de 10B por cromatografia de troca inica em sistema individual de colunas: Enriquecimento de 10B

A separao dos istopos de B (10B e 11B) foi realizada a partir da reao de

troca isotpica entre o B(OH)3, na fase aquosa, e nions B(OH)4-, adsorvidos na

resina, regenerada a forma OH-. No processo, uma banda de on borato foi

deslocada pela coluna de resina, utilizando-se, como afluente uma soluo 0,05 mol

L-1 de HCl. A soluo cida ao ser admitida no topo da coluna de resina, carregada

com ons B(OH)4-, promoveu a eluio dos mesmos e a formao de uma banda

cromatogrfica.

A reao global de troca isotpica por cromatografia de troca inica pode ser

representada pela equao (1)

53

10B(OH)3(S) + 11B(OH)4-(R) { 11B(OH)3 (S) + 10B(OH)4-(R) (1)

onde (R) e (S), representam fase resina e soluo, respectivamente.

No deslocamento da banda a mesma ficava confinada entre dois limites bem

definidos, dados pela constante de equilbrio das reaes de troca inica na parte

frontal, entre os nions B(OH)4- e OH- adsorvidos, e na parte traseira da banda,

devido a troca entre o Cl- em soluo e nions borato adsorvidos (MIERA; COMAS;

LOPEZ, 1985; CARNEIRO JUNIOR et al., 1994).

O procedimento adotado no deslocamento da banda de B foi o de manter

sempre duas colunas ligadas em srie. Quando a banda de B(OH)4- percorria a

coluna 1, era totalmente recebida pela coluna 2, deixando a primeira carregada na

forma Cl-. A primeira coluna era retirada do circuito e na frente da segunda, que

continha a banda, conectava-se em srie uma terceira, previamente regenerada

forma OH- que na sequncia receberia a banda. As colunas 2 e 3 permaneciam

ligadas em srie, enquanto a banda de cido brico por elas se deslocava,

repetindo-se a situao de inicio, at que uma quarta coluna fosse requerida, e

assim sucessivamente. Dessa forma, a banda de cido brico pode ser

continuamente deslocada. Em funo do deslocamento e sendo o processo

dinmico, o istopo leve vai se acumulando na traseira da banda e o istopo pesado

na frente de deslocamento. Com o deslocamento da banda deve-se proceder a

retirada de alquotas (cerca de 1 ml) de cido brico, tendo como referncia a

traseira de deslocamento (interface entre a soluo afluente de HCl, com R-Cl na

fase resina e o on B(OH)4- nessa mesma fase). Desta forma, obtm-se um perfil

completo da banda contendo B, onde a mesma pode ser dividida em trs fraes, a

saber: frao enriquecida em 10B (traseira da banda); frao com abundncia natural

em 10B (patamar com abundncia natural nos istopos) e frao empobrecida em 10B (frente de deslocamento da banda cromatogrfica). Assim, foi avaliado o

potencial de separao dos istopos estveis de B fazendo-se uso dos sistemas de

forma individual. Este procedimento foi realizado para os sistemas S1 e S2.

54

3.4 Interao (acoplamento) dos sistemas S1 e S2

O procedimento realizado envolveu a produo de H310BO3 com o mximo

enriquecimento em 10B no sistema S1, a comear da abundncia natural do istopo 10B, e transferncia de parte do volume enriquecido para o sistema S2. Na ocasio,

uma frao de 20 cm da banda cromatogrfica de cido brico mais enriquecida

(traseira da banda) em 10B, do sistema S1, foi introduzida na proximidade traseira

(topo da coluna) da banda do sistema S2, como mostra a Figura 14. Com esse

procedimento (admisso de H310BO3 em S2) objetivou-se aumentar a regio

enriquecida da banda de H310BO3 e possibilitar um incremento no nmero de placas

tericas, consequentemente, obter maior enriquecimento isotpico no S2, de acordo

com o modelo matemtico (equao 2) em sistema contra corrente. Em condies

que o fator de fracionamento isotpico ) e Height (TXLYDOHQWRI7KHRUHWLFDO3ODWH

(HETP) so constantes, devido manuteno dos parmetros tais como: tipo de

resina, velocidade de deslocamento superficial, tipo de eluente e temperatura, a

frao molar do istopo leve no produto (Np), influenciado por este mesmo

parmetro na alimentao (No) e exponencialmente pelo nmero de placas tericas

(S) e consequentemente pelo comprimento da banda cromatogrfica enriquecida (L).

Np = No.e 6-1) (2)

Onde:

Np = frao molar do istopo leve do produto;

No = frao molar do istopo leve na alimentao;

S = nmero total de placas tericas (S = L/HETP, onde L comprimento da

banda cromatogrfica e HETP);

IDWRUGHIUDFLRQDPHQWR isotpico.

A utilizao da soluo 0,05 mol L-1 de HCl permaneceu durante o processo

de acoplamento e aps esse procedimento, os sistemas S1 e S2, continuaram se

deslocando independente um do outro.

O acoplamento foi realizado quando os 20 cm ltimos da banda

cromatogrfica do sistema S1 estava em 137 DBC e estes, foram transferidos no

55

momento antecedente aos 20 cm finais banda cromatogrfica do sistema S2, que se

encontrava em 129 DBC. Foi determinada a massa total de 10B transferida do

sistema S1 para o sistema S2.

A quantificao de 10B na banda cromatogrfica em funo do deslocamento

aps o acoplamento foi realizada com base nos perfis obtidos a cada 25,2 e 21,6 m,

para o sistema S1 e S2, respectivamente.

Figura 14 - Processo de interao (acoplamento) entre os sistemas (S1 e S2) de colunas contendo resina aninica, no processo de obteno de 10B(OH)3 altamente enriquecido em 10B

56

3.5 Determinao da massa acumulada de 10B e de H310BO3 A massa acumulada de 10B e de H310BO3 (equao 3) pode ser obtida a partir

do perfil de enriquecimento (% em tomos de 10B em funo da distncia da traseira

da banda) como descrito no item 3.3, da concentrao de B (meq L-1) no mesmo

perfil e do volume efluente (mL) por cm de deslocamento. A soluo de cido brico

apresenta abundncia isotpica natural para os istopos estveis de B. Com o

deslocamento da banda cromatogrfica ocorre o enriquecimento do 10B na traseira

da mesma e conseqente empobrecimento em 11B nesta faixa da banda. Dessa

forma, a partir da equao (3) foi determinada a massa acumulada do istopo de 10B

e do cido brico enriquecido no istopo leve.

m

(3) M = 6 Vi Ci PMi Bi/100

i=1

Onde:

M: massa de 10B (mg) acumulada no perfil da banda enriquecida;

Vi: volume (L) da soluo de H3BO3 efluente da frao i (V10,8; V8,5; V5,3

conforme Figura 15.

Ci: concentrao de B (mmol L-1);

PMi: peso atmico do B na frao i (mg mmol-1 de B)

Bi: abundncia mdia de 10B na frao i (% em tomos de 10B).

57

Figura 15 - Perfil de uma banda de B(OH)3 e B(OH)4- em sistema cromatogrfico eludo com soluo de HCl

3.6 Determinao isotpica de B (% em tomos de 10B), por espectrometria de massas, em efluente do sistema cromatogrfico

As determinaes das abundncias isotpicas de B (% em tomos de 10B),

nos efluentes dos sistemas de colunas cromatogrficas, utilizaram-se dos

espectrmetros de massas com fonte de plasma (ICP-MS) e por termoionizao

(TIMS), conforme descrito nos itens 2.5.1 e 2.5.2. As Figuras 16 e 17 ilustram os

espectrmetros com fonte de plasma e por termoionizao, respectivamente.

Ressalta-se que os softwares utilizados nos espectrmetros controlam os

componentes primrios do hardware dos espectrmetros e os acessrios de

amostragem, gerncia o processo de aquisio de dados e executa os clculos

necessrios para a produo final dos resultados analticos.

V 1,0 i = 1

V 2,1 i = 2 V 3,1 i = 3 V 5,3 i = 4

V 8,5 i = 5 V 10,8 I =

Cl-R

HCl

+

B(OH)4(R)

B(OH)3 (S); B(OH)4-(S)

ponto de coleta

1 2 3 5 8

10

0 (S)

58

Figura 16 - Espectrmetro de massas com fonte de plasma (ICP-MS) - Laboratrio de Anlise e Referncia em Amostras Ambientais e Fertilizantes do CENA/USP

Figura 17 - Espectrmetro de massas por termoionizao (Thermal Ionization Mass Spectrometry - TIMS) - Laboratrio de Cincia Isotpica do Departamento de Fsica e Astronomia da Universidade de Calgary, cidade de Calgary

59

3.6.1 Preparo das amostras para determinao isotpica de B (% em tomos de 10B) no ICP-MS

No processo analtico, pipetou-se alquotas que variaram de 30 a 1000L das

amostras coletadas da banda cromatogrfica, em frascos de polipropileno, de acordo

com a concentrao da amostra. Na sequncia, as amostras foram diludas com

iJXDXOWUDSXUD0FPGRVLVWHPD0LOOL-Q), em tubos do tipo Falcon, obtendo-

se um volume final de 25 mL (Figura 18). Logo aps, foram retiradas alquotas de

250 L e acidificadas com 4,75 mL de HCl 0,16 % (m/v) e encaminhadas para o ICP-

MS. As concentraes de B nas amostras a serem analisadas variaram de 100-150

g L-1de B.

A determinao da razo isotpica de B, nas amostras, foi realizada a partir

das leituras nos sinais de razes massa/carga (m/z) 10 e 11 e a integrao da rea

do pico de cada sinal.

Figura 18 - Diluio de amostra utilizando tubos do tipo Falcon com fundo cnico, estreis, graduados e com capacidade de 50 mL

60

Para cada rodada de amostras, a soluo enriquecida e certificada de 10B

(Tetraborato de amnio hidratado) da PerkinElmer Atomic Spectroscopy Standard e

a soluo enriquecida da Cambridge Isotope Laboratores Inc. foram analisadas bem

como o padro NIST SRM 951 com abundncia isotpica natural. Os principais

parmetros instrumentais esto listados na Tabela 2.

Tabela 2 - Condies de operao do ICP-MS Agilent 7500ce

Potncia da Rdio Frequncia 1500 W Gs plasma 15 L min-1 Gs auxiliar 1 L min-1 Distncia amostrador 9,5 mm Tocha-H 1,1 mm Tocha-V 0,1 mm Gs carregador 0,93 L min-1 Gs complementar 0,1 L min-1 Bomba nebulizador 0,05 rpm

3.6.2 Preparo das amostras para determinao isotpica de B (% em tomos de 10B) no TIMS

Para a montagem dos filamentos simples foram necessrios fitas de rnio

com largura de 1 mm e espessura de 0,25 mm, conforme Figura 19.

Figura 19 - Fita de rnio utilizado para a montagem do filamento para anlise isotpica de B

61

As fitas foram cortadas com aproximadamente 20 mm de comprimento,

prensadas em formato de U, utilizando um aparato especial e, soldadas nos

filamentos (Figuras 20 a, b, c, d, e, f). Aps a soldagem e visando a

descontaminao, os filamentos foram instalados na estao de desgaseificao

submetendo-os a 1800C em uma cmara de alto vcuo por 90 minutos (Figura 21).

Com auxlio de uma micropipeta, foram adicionados 1,5 L da soluo

ativadora de Ca(NO3)2 (com aproximadamente 15 g L-1 de Ca) nos filamentos e