Os objetivos deste trabalho foram estudar, desenvolver e avaliar filmes para a captação de vapores de benzeno e amônia, tornando possível a detecção e quantificação destas substâncias no ar atmosférico, utilizando sensores piezelétricos de quartzo. Dispositivos piezelétricos destes cristais são hoje de grande importância em Química Analítica, possuindo inúmeras aplicações (meio gasoso e em solução), uma vez que se encontram muitos trabalhos no campo da eletroanalítica, enzimologia, imunoquímica, análise de alimentos, análises clínicas e em análises ambientais. O princípio do método baseia-se no fato de que o cristal de quartzo, sob um campo elétrico alternado, vibra com uma freqüência bem definida. Ao se depositar uma pequena massa de material na superfície do cristal (eletrodo), ocorre uma queda proporcional da freqüência de vibração. Depositando-se um filme (coating) que tenha afinidade pela substância que se quer detectar e quantificar, tem-se uma microbalança. À medida que o poluente passa pelo cristal ocorre a sorção do mesmo. Com o aumento da massa, a freqüência de vibração do cristal diminui proporcionalmente, sendo possível a construção de uma curva analítica, o que permite a quantificação do poluente em níveis da ordem de parte por milhão (ppm) ou mesmo parte por bilhão (ppb). No início dos estudos, várias substâncias (individualmente ou misturadas) foram investigadas como possíveis substratos captores (filmes) para detecção de benzeno e amônia. Entre elas, diferentes fases estacionárias viscosas utilizadas em cromatografia gasosa, além de alguns silicones, glicóis, ácidos orgânicos, zeólitas, complexos de metais de transição e até porfirinas. Para a detecção e quantificação de benzeno, em níveis da ordem de 10 ppm (32 mg m-3), dentre as muitas substâncias investigadas, até o presente momento, nenhuma apresentou resultados satisfatórios para a montagem de método analítico. Para a detecção e quantificação de amônia, encontrou-se que uma mistura de 50 ?L de solução de ácido glicólico em THEED (3:4 m/m) com 25 ?L de solução saturada de ácido tânico em acetona, mostrou-se a mais promissora. Nas etapas seguintes, passou-se às investigações para otimização das condições experimentais. Foram estudados, então, a melhor vazão de trabalho, os efeitos da quantidade de filme depositado sobre o cristal, efeito da temperatura, reversibilidade, entre outros. Todas as medidas foram realizadas para quatro tempos diferentes de exposição do cristal ao poluente (30 segundos, 1, 2 e 3 minutos). A quantidade de filme considerada ideal foi de 133 g, correspondendo a uma variação de freqüência de aproximadamente 67 KHz. Valores maiores, além de diminuírem a sensibilidade, geralmente causam parada das oscilações enquanto o poluente passa pelo cristal (aumento excessivo de massa), sendo que valores menores de massa provocam diminuição de sensibilidade. A melhor vazão de trabalho encontrada está na faixa de 80 a 100 mL min-1. Temperaturas entre 15ºC e 35ºC não apresentaram efeitos significativos sobre a sensibilidade do detector, ocorrendo uma diminuição da mesma em temperaturas acima deste limite. O sensor apresentou queda de freqüência linear (r = 0,999 para tempos de exposição de 30 segundos e 1 minuto, e r = 0,988 para tempos de exposição de 2 e 3 minutos) no intervalo de concentração estudado (2 à 10 ppm). Alguns possíveis interferentes foram investigados, entre eles CO, CO2, H2S, NO2 e ar atmosférico, sendo que, apenas o NO2 interferiu nas análises. Portanto, deve estar ausente do ar analisado ou deve ser retirado por algum captor específico estrategicamente inserido na linha de entrada. Estudos sobre o \"envelhecimento\"da película após preparo, mostraram que nenhum efeito considerável foi observado quanto à captação do poluente, após dois meses . Nos estudos de reversibilidade, o sensor mostrou-se irreversível, o que nos impediu de verificar o tempo de vida de uma mesma película para vários ciclos consecutivos. Contudo, este fato é compensado pela elevada sensibilidade e pelo curto tempo gasto na análise, ficando demonstrado sua grande potencialidade na detecção e quantificação de amônia no ar. / The objective of this work was to study, develop and evaluate coatings for detecting benzene and ammonia in atmospheric air, by using a piezoelectric quartz sensor. Nowadays, piezoelectric quartz sensors are very important in Analytical Chemistry due to their numerous aplications (in gaseous fase or in solution). This method is based on the fact that the quartz crystal when placed under an alternated electric field, vibrates with a well known frequency. When a very low mass of substance is deposited on the crystal surface (electrode) a proportional decrease in the vibrational frequency occurs. This coating must have affinity for the substance we wish to detect and quantify. The sorption of the pollutant occurs as it is passes through the crystal. Increased mass leads to decreased vibrational frequency in a proportional way, so it is possible to build an analytical curve and quantify the pollutant in levels of part per million (ppm) and part per billion (ppb). Many substances (individually or mixed) were investigated as possible coatings for detection of benzene and ammonia detection, such as different chromatography viscous stationary phases, glycols, some organic acids, zeolites, transition metal complexes and porphyrins. For benzene detection and quantification at the level of 10 ppm (32 mg m-3), none of the investigated substances presented satisfactory results. For ammonia detection and quantification a mixture of 50 ?L of Glycolic Acid in THEED solution (3:4 w/w) and 25 ?L of Tannic Acid in acetone solution was the most promising one. The optimization of the experimental conditions found 133 ?g as the ideal coating mass to be deposited on the crystal surface. A working flow of ix 80 to 100 mL min-1and a working temperature in the 15ºC to 35ºC range (59ºF to 95ºF) were found to be ideal. In the studied concentration range, the sensor presented linear decrease in frequency. Some possible interfering substances were investigated (CO, CO2, H2S, NO2 and atmospheric air) and only NO2 showed some interference. Although the sensor showed to be irreversible, it is also very sensitive and can therefore be used to detect and quantify ammonia.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-01092008-151145 |
| Date | 12 August 2005 |
| Creators | Castro, Jorge Ricardo Moreira |
| Contributors | Andrade, Jose Fernando de |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Dissertação de Mestrado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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