Análise de Carbono e Nitrogênio de Amostras Ambientais

Fonte: Laboratórios de Margaret Workman e Kimberly Frye - Universidade Depaul

Análise Elementar é um método usado para determinar a composição elementar de um material. Em amostras ambientais, como solos, os cientistas estão particularmente interessados nas quantidades de dois elementos ecologicamente importantes, nitrogênio e carbono. A análise elementar pela técnica de combustão de flash funciona oxidando a amostra com um catalisador através da combustão em uma câmara de alta temperatura. Os produtos de combustão são então reduzidos a N₂ e CO₂ e detectados com um detector de condutividade térmica.

Ao contrário de outros métodos para determinação total de nitrogênio (método Kjeldahl) e determinação total de carbono (métodos Walkley-Black, Heanes ou Leco), a técnica de combustão flash não usa produtos químicos tóxicos e, portanto, é muito mais segura de usar.

Este vídeo demonstrará a análise elementar baseada em combustão usando o instrumento Flash EA 1112 da Thermo Fisher Scientific.

As amostras de solo são colocadas em um disco de estanho e deixadas no reator de oxidação através de um autosampler onde é queimado em um ambiente de oxigênio superior a 900 °C na presença de um catalisador de oxidação. O carbono na amostra é convertido em dióxido de carbono e o nitrogênio é convertido em gás nitrogênio e alguns óxidos de nitrogênio.

C + O₂ → CO₂
4 N + x O₂ → N₂ + 2 NO_x

O gás hélio carrega esses produtos em um segundo tubo de reação cheio de cobre que reduz os óxidos de nitrogênio ao gás nitrogênio e remove o excesso de oxigênio. Este é o 680 °C.

NO_x + → N₂ + CuO
O₂ + → CuO

O fluxo de gás então flui através de um filtro cheio de perclorato de magnésio para remover qualquer vapor de água antes que o fluxo atinja a coluna de cromatógrafo a gás.

O N₂ sairá da coluna de cromatografia a gás primeiro por volta dos 110 s, e então o CO₂ sairá por volta dos 190. Utilizando uma curva padrão criada usando ácido aspartíaco, pode-se determinar o %N e %C na amostra do solo.

1. Preparação de Amostras de Solo

1. Amostras de solo seco a 60 °C por 48 h.
2. Passe o solo através de uma peneira de 2 mm x 2 mm.
3. Coloque aproximadamente 5 g do solo no moedor de moinho de bola e triture por 2 min. É importante obter uma amostra homogênea, pois o tamanho da sua amostra será muito pequeno.
4. Coloque o solo moído em um recipiente pequeno e guarde em um desiccador até estar pronto para uso.

2. Configuração dos parâmetros do instrumento

1. Ligue o instrumento Flash EA 1112 na parte de trás, invertendo o interruptor.
2. Ligue o computador.
3. Clique duas vezes no ícone "Ansioso 300" para iniciar o programa de software que executa o instrumento.
4. Clique duas vezes no ícone "NC Soils" para abrir o método que executa a configuração do instrumento para solos.
5. Aqueça o instrumento abrindo os parâmetros do "Analisador Elemental" e clicando no botão "Enviar". Os parâmetros devem ser os seguintes (Ver Figuras 1-3):
   a. Temperaturas: Esquerda = 900 °C, Direita = 680 °C, Forno = 50 °C
   b. Fluxo de gás: Transportador = 130 mL/min, Oxigênio = 250 mL/min, Referência = 100 mL/min
   c. Tempo de execução do ciclo = 360 s
   d. Atraso amostral = 12 s
   e. Extremidade da injeção de oxigênio = 5 s
   f. Detector = Filamento Ligado
6. Crie uma tabela de amostra clicando em "Editar tabela de amostra" e, em seguida, "Preencher a tabela da amostra". Altere o nome do arquivo para a data de hoje. Insira o número de amostras que você planeja executar, incluindo os padrões e espaços em branco. Em seguida, clique em "Substituir" para substituir a última tabela de amostra que foi criada com a sua nova tabela de amostra.

3. Criando uma Curva Padrão

1. Usando fórceps, remova um disco de estanho da embalagem e molde-o em uma forma de copo usando o dispositivo especial de vedação. Evite tocar o disco de lata com os dedos para evitar a transferência de óleos da ponta dos dedos. (Ver Números 4-5)
2. Usando fórceps, coloque o disco de estanho no microequilípmo e zero o equilíbrio.
3. Usando fórceps, remova o disco de estanho do microequilíptico e usando uma microspatula, coloque aproximadamente 1 mg de ácido aspartíco padrão no disco de estanho.
4. Pesar o disco de estanho com o padrão de ácido aspartílico no microequilíptico. Digite esse peso na tabela de dados no software Eager 300 no computador.
5. Sele o disco de lata com as fórceps para que nenhum dos padrões de ácido aspartílico vaze dele. Coloque o pacote de lata no autosampler. (Ver Figura 6)
6. Repetir as etapas 3.1 – 3.5, utilizando aproximadamente 5 mg de padrão ácido aspartíaco.
7. Repetir as etapas 3.1 – 3.5, utilizando aproximadamente 7,5 mg de padrão ácido aspáltico.
8. Repetir as etapas 3.1 – 3.5, utilizando aproximadamente 10 mg de padrão ácido aspáltico.

4. Carregando o Autosampler com amostras de solo

1. Usando fórceps, remova um disco de estanho da embalagem e molde-o em uma forma de copo usando o dispositivo de vedação. Você não deve tocar a lata com os dedos para evitar a transferência de óleos da ponta dos dedos.
2. Usando fórceps, coloque o disco de estanho no microequilípmo e zero o equilíbrio.
3. Remova o disco de estanho do microequilípmo e coloque aproximadamente 50 mg do solo homogeneizado no disco de lata usando uma microspatula.
4. Pesar o disco de lata com amostra de solo no microequilíramismo. Digite esse peso na tabela de dados no software Eager 300 no computador.
5. Sele o disco de estanho usando as fórceps para que o solo seja contido. Transfira o pacote de lata para a bandeja do autosampler.
6. Repita os passos 4.1 – 4.5 para todas as suas amostras. Recomenda-se executar ensaios triplicados de cada amostra. Um experimento triplicado é considerado uma boa regra de ouro para descartar erros experimentais.

5. Execução das Amostras

1. Quando as temperaturas apropriadas tiverem sido atingidas no instrumento, a luz verde "Temperatura Pronta" acenderá. Na parte inferior da tela do computador, ele também dirá "Pronto para análise".
2. Antes de iniciar sua execução de amostra, clique em "Arquivo" e "Método de salvar" para salvar os dados que você acabou de inserir. Recomenda-se que você salve o método com seu sobrenome e a data.
3. Para começar a corrida, clique no arqueiro verde e empurre "Iniciar agora".
4. Levará aproximadamente 6 minutos por amostra para ser executado.
5. Depois que a execução estiver concluída, você pode ver os resultados clicando em "Recálculo" e depois em "Resumir resultados".

Figura 1. Tela de configuração dos parâmetros Flash EA 1112 1.

Figura 2. Tela de configuração dos parâmetros Flash EA 1112 2.

Figura 3. Tela de configuração dos parâmetros Flash EA 1112 3.

Figura 4. Removendo um disco de lata com fórceps.

Figura 5. O disco de estanho moldado em forma de copo usando o dispositivo de vedação.

Figura 6. O pacote de lata que está sendo colocado no autosampler.

Um cromatógrafo para cada amostra é produzido mostrando a quantidade de nitrogênio e carbono na amostra(Figura 7).

As áreas sob a curva em cada um dos picos da amostra cromatograma são comparadas com as curvas padrão (Figuras 8 e 9), e a quantidade de nitrogênio e carbono na amostra é calculada. Com base no peso da amostra original, calcula-se o %N e %C(Figura 10).

Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7. Cromograma mostrando picos de nitrogênio e carbono.

Figura 8. Curva padrão de ensaio para nitrogênio.

Figura 9. Curva padrão de ensaio para carbono.

Figura 10. Cálculo de %N e %C, com base no peso da amostra original.

A relação Carbono-Nitrogênio (C:N) no solo é uma razão da massa de carbono com a massa de nitrogênio na amostra do solo. A proporção C:N do solo e qualquer coisa colocada no solo (como a cobertura de resíduos de cultura) pode afetar a decomposição de resíduos de culturas e o ciclismo de nutrientes. Os microrganismos do solo têm uma razão C:N de aproximadamente 8:1. Para manter essa proporção, eles devem adquirir seu carbono e nitrogênio do meio ambiente. No entanto, uma vez que parte do carbono que os microrganismos adquirem devem ser usados como fonte de energia, além do que precisa para a manutenção do corpo, os microrganismos requerem uma razão C:N de aproximadamente 24:1. Se o lixo de folha ou a cobertura do solo com uma razão C:N superior a 24:1 for colocada no solo (por exemplo,o milho com uma razão C:N de 57:1), os microrganismos serão obrigados a usar nitrogênio do solo para decompor o material do lixo. Isso resulta em um déficit de nitrogênio no solo. Se o lixo da folha ou a cobertura do solo com uma razão C:N inferior a 24:1 for colocada no solo (por exemplo,feno de alfafa com uma razão C:N de 13:1), haverá algum nitrogênio restante após a decomposição do material do lixo, que será liberado no solo como nutrientes.

A análise elementar não só pode ser usada para determinar a razão C:N das amostras do solo, mas também pode ser usada para determinar a razão C:N em materiais vegetais, como folhas de árvores e resíduos de cultura. Essas informações são importantes para os agricultores, a fim de ajudá-los a decidir que tipo de cobertura de cultura usar. A razão C:N do resíduo da cultura adicionada para cobrir o solo influencia a rapidez com que o resíduo se decompõe. Isso tem implicações para saber se o solo está protegido ou não pelo tempo desejado.