UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS...

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


Figura 29 - - Espectro de massa do padrão metilnaftaleno, com seus


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


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

http://www.iata.org/publications/Documents/2015-report-alternative-fuels.pdf

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


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).

http://www.icao.int/Meetings/EnvironmentalWorkshops/Documents/2014-GreenTechnology/7_Garcia-Marchand_TOTAL.pdf

http://www.icao.int/Meetings/EnvironmentalWorkshops/Documents/2014-GreenTechnology/7_Garcia-Marchand_TOTAL.pdf

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


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


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


Figura 14 - Representação da estrutura do naftaleno


Figura 15 - Representação da estrutura do 1-metilnaftaleno


Figura 16 - Representação de estrutura do fenantreno


Figura 17 - Representação da estrutura da benzofenona


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


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%.


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


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


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


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


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


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


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.


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.


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


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


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


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.


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


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


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

ntr

e a

s ár

eas

do

p

adrã

o e

pad

rão

inte

rno


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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.


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


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


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


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


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


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

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS...

Documents

Transcript of UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS...