E-018 - Universidad Nacional del Nordeste

Resumen: E-018
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDEST E
Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2005
Fraccionamiento de muestras de aguas del Río Paraná
(Especiación) – Determinación de Cadmio
1
1
1
2
Pellerano, Roberto G. - Romero, César H. - Vazquez, Francisco A. - Marchevsky, Eduardo.
1. LABQUIAM – FACENA - UNNE. TEL. (03783) 457996 E-mail: [email protected]
Avda. Libertad 5450 – CP: 3400 – Corrientes – Argentina.
2. Area de Química Analítica y Química Física - Fac. de Química, Bioquímica y Farmacia - UNSL
San Luis - Argentina
Antecedentes
Durante los últimos años se ha visto un gran aumento del interés de las ciencias biológicas y ambientales por lo que se
ha llamado especiación química, lo que se refleja en el gran número de publicaciones recientes con respecto a éste tema.
Este gran incremento de información se ha focalizado en la distribución, movilidad y disponibilidad biológica de los
elementos químicos que no depende solamente de su concentración, pero si de sus asociaciones físicas y químicas con
el medio en el que se encuentra. Los cambios en las condiciones ambientales, pueden ser naturales o antropogénicas,
ejercen una fuerte influencia en la forma en la que se encuentran los elementos tóxicos o esenciales. Alguno de esos
factores incluyen al pH, potencial Redox y disponibilidad de “especies reactivas” como por ejemplo, ligados de
complejos (orgánicos o inorgánicos), partículas que ofrecen una superficie de adsorción, y coloides.
Cuando queremos comprender la química ambiental de un elemento se hace necesario caracterizar sus formas químicas
y proporciones en las que se distribuye, bajo diversos rangos de condiciones que sean posibles de ocurrir en la
naturaleza. [1] [2]
Entonces la biodisponibilidad y/o toxicidad del Cadmio están determinadas en gran medida por la solubilidad de las
especies metálicas. La naturaleza de la forma soluble del Cadmio es también muy importante, siendo los complejos
orgánicos generalmente menos tóxicos que la forma iónica del elemento. [3]
El objetivo de este trabajo es el de realizar especiación química desde el punto de vista operacional o funcional
(Fraccionamiento de muestras [4]) de cadmio en muestras de agua superficial proveniente del Río Paraná en diferentes
épocas del año, utilizando técnicas de Filtración y Extracción en Fase Sólida (SPE) para el fraccionamiento y
determinación de concentración de Cadmio en las diferentes fracciones desarrollando un sensor para la determinación
de cadmio por Espectrofotometría en Fase Sólida (SPS [5]).
Materiales y Métodos
Reactivos
Todos los reactivos químicos utilizados fueron de grado analítico, todas las experiencias fueron realizadas a temperatura
ambiente.
Resina de intercambio aniónica tipo Dowex 1X8, 200 – 400 mallas, se lavó previamente la resina varias veces con agua
bidestilada, luego se la dejó en contacto con una solución de ácido clorhídrico 6 M durante toda la noche y finalmente
se la volvió a enjuagar con agua bidestilada hasta obtener reacción neutra al tornasol en el agua de lavado. Otros
soportes sólidos fueron ensayados tales como Amberlite XAD-7 (resina de adsorción), Sephadex DEAE A-25
(intercambiador aniónico), Sephadex SPC C-25 (intercambiador catiónico).
Estándar de Cd(II) de diferentes concentraciones fueron preparadas a partir de una solución stock de 1000 ppm
(Merck). Las soluciones de trabajo se prepararon diariamente diluyendo la solución stock.
PAN (Piridilazonaftol) se preparó una solución stock de reactivo de concentración 2 x 10-3 M disolviendo una masa
adecuada de reactivo en alcohol etílico al 96 %.
Tritón X-100 se preparó una solución al 5 % a partir del reactivo comercial.
Solución Buffer de pH requerido fueron preparadas con amoníaco y cloruro de amonio.
Columna rellena con 500 mg de Silica C-18 (soporte cromatográfico) marca Merck. La columna se preparó mediante
una suspensión de la resina en una mezcla (1+1) de etanol y agua.
Aparatos
Espectrofotómetro Metrolab 1700 UV/Vis controlado desde una computadora tipo PC con software específico
distribuído por Metrolab S. A.
Celdas de paso óptico 1 mm marca HELLMA
Peachímetro Altronix
Centrífuga de mesa.
Agitador mecánico de tubos de velocidad regulable.
Software
UNSCRAMBLER V 6.0 [6] para el diseño experimental y ORIGIN 7.0 [7] para gráficos.
Resumen: E-018
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDEST E
Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2005
Método para la separación secuencial de las diferentes fracciones de Cd2+
Las muestras de aguas fueron filtradas a través de membranas de 0,45 µm y luego los filtrados fueron pasados a través
de la columna que contiene la resina Silica C-18 bajo presión de vacío, luego se reservó el efluente para análisis
posteriores. El Cd2+ complejado por los ácidos húmicos retenido en la columna, se eluye luego con 2 mL de metanol
puro para su determinación. El esquema de los pasos para las separaciones de las diferentes fracciones puede observarse
en la figura 1. El esquema fue aplicado a muestras conteniendo cadmio libre (en agua destilada) a pH 7 (cercano al de
las muestras en estudio) obteniéndose un 95 % de recuperación, suficiente para ser considerada una recuperación
cuantitativa.
Muestra
50 mL
Cd
Total
Membrana 0,45 µm
Cd
Soluble
Fracción
Soluble
Columna = Silica C-18
Metanol
Cd
Complejado
Cd
Libre
Efluente acuoso
Figura 1
Partículas suspendidas
Las muestras de agua fueron filtradas a través de membranas de 0,45 µm de diámetro de poro (47 mm de diámetro)
para investigar la fracción de Cd2+ unida a las partículas suspendidas en la muestra de agua superficial. A la fracción de
Cd2+ que es capaz de atravesar la membrana se la denomina “Fracción Filtrada” y a la fracción unida a las partículas
insolubles se la denomina “Fracción particulada” esta ultima se determina por diferencia entre:
2+
2+
2+
Cd Particulad
o = Cd Total − Cd Filtrado
Fracción complejada por ácidos húmicos
Una alícuota de 50 mL del filtrado se hizo pasar por la columna que contiene la silica C-18 para ab/adsorber el Cd2+
complejado por las sustancias humitas (Ej: ácidos húmicos y fúlvicos). Los metales adsorbidos en la columna se
resorbieron con 2 mL de Metanol puro para su posterior determinación por SPS. A esta fracción se la denomina
“Fracción soluble complejada”
Metal Libre
Se determina la fracción de metal libre en el efluente de la columna por metodología SPS. Esta fracción se analiza sin
digestión previa por considerarse la ausencia de materia orgánica en la solución.
Procedimiento para la SPS
El volumen de muestra seleccionado fue de 50 mL A partir de ensayos previos, se fijan los siguientes
parámetros, concentración de Buffer (pH: 9-10), se utiliza 1 mL de Buffer en todas las determinaciones. Selección y
masa de resina, se selecciona la resina de intercambio aniónica Dowex 1X8 por ser la que demuestra mejor performance
y se fija la masa de resina en 70 mg.
Para la realización de la curva de calibración se utilizaron alícuotas de 50 mL de estándar, de concentración
adecuada, luego se agregaron sucesivamente volúmenes variables de acuerdo con el punto experimental, solución de
tritón X-100 + solución etanólica de PAN + 1 mL de Buffer Amonio/Cloruro de amonio + 50 mg de resina Dowex 1X8.
A continuación se agita la muestra mecánicamente durante 20 minutos. Se separa la resina del seno de la solución luego
de centrifugar 30 segundos a 2.500 r.p.m. Se extrae por succión de la solución sobrenadante con vacío. Se cargan con la
ayuda de goteros de vidrio las cubetas de 1 mm de paso óptico. Finalmente se lee la absorbancia en el espectrofotómetro
siguiendo el procedimiento explicado en la sección siguiente.
Resumen: E-018
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDEST E
Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2005
En las muestras de aguas naturales provenientes del Río Paraná, se debió agregar una etapa previa para
eliminar algunos interferentes, el hierro por ejemplo se lo elimina coagulándolo en medio alcalino. Se agrega también a
la solución, 0,2 mL de KI 1 M, para eliminar posibles interferentes en las muestras de agua, este actúa formando en
modo selectivo un complejo iodurado de Cadmio (CdI42-) que se une fuertemente a la resina y luego es determinado con
el PAN sobre ésta.
Medidas de Absorbancia en SPS
La absorbancia del producto de la reacción fijado en la resina se midió a 555 nm (pico de máxima absorción para el
complejo Cd (II) – PAN), y a 750 nm (esta última longitud de onda corresponde a la zona donde solo la resina causa
atenuación de la luz) en celdas de 1 mm de paso óptico. Similarmente la absorbancia de los blancos correspondientes
fueron medidas a las mismas longitudes de onda. La absorbancia de los ensayos en blanco corresponde al PAN fijado
sobre la resina.
La absorbancia neta, Aneta, para el compuesto se calcula: Aneta = Acomplex − ABco donde Acomplex = A555 − A750 para la
muestra y
ABco = A555 − A750 para el blanco.
Resultados y Discusión
Se aplicó este procedimiento en dos muestras provenientes del Río Paraná, tomadas en diferentes épocas del año, es
decir que corresponden a diferentes estaciones. La primera muestra de agua de río corresponde al mes de diciembre, en
la ciudad de Corrientes y la identificaremos como “Verano” en este trabajo. La segunda muestra corresponde al mes de
mayo en el mismo punto de muestreo, y la identificaremos como “Otoño” en este trabajo.
Dado que en estudios previos la concentración de Cd2+ en estas muestras de río fueron no detectables por este método,
ambas muestras fueron sobreagregadas con 2,5 µg de Cd2+, para obtener una concentración total de Cd2+ final en la
muestra de 50 ppb, luego del sobreagregado se dejaron reposar las muestras en incubadora a 20 °C durante 24 Hs.
Los resultados determinados en las diferentes fracciones a partir de la curva de calibración, cada determinación surge de
promediar los resultados de 3 réplicas de cada muestra y se presentan en la tabla I. Con los valores obtenidos se calcula
la concentración de Cd2+ correspondiente a cada fracción, estos resultados se presentan en la tabla II. Se realiza un
gráfico que permite visualizar las variaciones de cada fracción a lo largo del año. Gráfico 1
Muestra
Verano
Otoño
Sub-muestra
Total
Filtrado
Efluente
Columna
Total
Filtrado
Efluente
Columna
Cc
51
35,6
12,2
2,2
49
13,8
28,8
7,1
Tabla I
Muestra
Verano
Otoño
Fracción
Particulada
Soluble Complejada
Libre
Particulada
Soluble Complejada
Libre
Tabla II
Cc
12,4
15,4
23,2
35,2
2,5
11,3
Resumen: E-018
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDEST E
Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2005
O to n o
V e ra n o
4 0
3 5
C d ( II) [p p b ]
3 0
2 5
2 0
1 5
1 0
5
0
P a r t i c u l a d aS o l u b l e C o m p l e j a d a
L ib r e
F r a c c io n
Conclusión
Se ha conseguido diseñar y establecer una metodología apropiada para la separación, fraccionamiento y medición de
cadmio por SPS en muestras de interés ambiental, particularmente muestras del río Paraná en este caso.
Bibliografía
[1] Element Speciation in Bioinorganic Chemistry, Chemical Analisis – John Wiley & Sons INC., 1996
[2] Braman, Robert S., Analytical Aspects of Environmental Chemistry, Cap. 1, pág. 2 – 7, 14 – 20, John Wiley & Sons
INC, 1983
[3] Bernahard, F. E. Brinckman P. J. Sadler The importance of Chemical Speciation in Environmental Process, Spriger
Verlag, Berlín, 1986
[4] Templeton, D. M. Freek A. Cornelis R. Lars-Goran D. Herbert M. Herman P. V. Ryszard Lobinsky Guidelines for
terms related to chemical speciation and fractionation of elements. Definitions, structural aspects, and methodological
approaches, IUPAC Recommendations, Pure and applied chemistry 72, pág. 1453 – 1470, 2000
[5] Capitán Valley, L. F. Valencia M. C. and Bosque Sendra, J. M: Analyst. 113. p. 418. 1989
[6] – The Unscrambler 6.11 – CAMO Computer Aid Modelling. 1996
[7] – Origin 7.0 – Origin Lab Corporation. 2002