Extração sólido-líquido

Fonte: Laboratório do Dr. Jay Deiner — City University of New York

A extração é um passo crucial na maioria das análises químicas. Implica remover o analito de sua matriz amostral e passá-lo para a fase necessária para identificação e quantificação espectroscópica ou cromatográfica. Quando a amostra é sólida e a fase necessária para análise é um líquido, o processo é chamado de extração de líquido sólido. Uma forma simples e amplamente aplicável de extração de líquido sólido implica combinar o sólido com um solvente no qual o analito é solúvel. Através da agitação, as partições de analitos para a fase líquida, que podem então ser separadas do sólido através da filtração. A escolha do solvente deve ser feita com base na solubilidade do analito alvo e no equilíbrio de custos, segurança e preocupações ambientais.

A extração utiliza a propriedade da solubilidade para transferir um soluto de uma fase para outra fase. Para realizar uma extração, o soluto deve ter uma solubilidade maior na segunda fase do que na fase original. Na extração líquido-líquido, um soluto é separado entre duas fases líquidas, tipicamente uma fase aquosa e orgânica. No caso mais simples, três componentes estão envolvidos: o soluto, o líquido transportador e o solvente. A mistura inicial, contendo o soluto dissolvido no líquido transportador, é misturada com o solvente. Após a mistura, o soluto é transferido do líquido transportador para o solvente. A solução mais densa se instala até o fundo. A localização do soluto dependerá das propriedades dos líquidos e do soluto.

A extração líquido-sólido é semelhante à extração líquido-líquido, exceto que o soluto é dispersado em uma matriz sólida, em vez de em um líquido transportador. A fase sólida, contendo o soluto, é dispersada no solvente e misturada. O soluto é extraído da fase sólida para o solvente, e a fase sólida é então removida por filtração.

Neste vídeo, um exemplo da técnica de extração de líquido sólido será ilustrado mostrando a extração de resíduos organocloridos do solo. A extração de líquido sólido ilustrado implica combinação da amostra com n-hexanos seguido de agitação ultrassônica, filtração, remoção de água residual secando sobre CaCl₂, e pré-concentração sob nitrogênio fluindo. A amostra como preparada está então pronta para análise por uma série de métodos espectroscópicos e cromatográficos.

1. Extração de Orgânicos Adsorbed do Solo

1. Coloque 20 g de solo em um prato Pyrex de boca larga limpo e seco em um forno de 50 °C e seque por um mínimo de 12h. Após a secagem, remova o solo do prato Pyrex e triture para um pó uniforme usando uma argamassa e pilão. Pese 5,00 g do solo e coloque-o em um frasco de fundo redondo limpo e seco (100 mL de tamanho). Ao frasco, adicione 15 mL de n-hexano. Coloque frasco em um banho ultrassônico, e sonicato por 60 minutos.

2. Separação do Extrato e do Solo

1. Prepare um funil Büchner com papel filtro analítico. Molhe o papel filtro com 1 mL de n-hexanes e comece a filtragem do vácuo. Despeje lentamente o conteúdo do frasco de fundo redondo sobre o papel do filtro. O frasco de Büchner agora contém o n-hexanos com os orgânicos extraídos do solo. O filtro retém os sólidos do solo despojados.

3. Limpeza e Pré-concentração

1. Se a solução n-hexano estiver turva, há água residual. Para secar a solução n-hexano, adicione uma pequena espátula de CaCl₂. Gire a solução e observe por um mínimo de 15 minutos. Se a solução ainda estiver nublada e/ou toda a CÍclica₂ estiver agrupada, ainda há água restante, e o passo 3.1 deve ser repetido. Se a solução for translúcida e a CaCl₂ fluir livremente, então não repita o passo 3.1. Uma vez alcançada uma solução clara, separe os hexanos do CaCl₂ usando filtragem de gravidade. Se a concentração do extrato for suficiente para detecção, os hexanos filtrados podem ser transferidos para um frasco limpo e seco para armazenamento e análise posterior. Se a concentração do extrato for baixa em relação ao limite de detecção, transfira os hexanos filtrados em um frasco de fundo redondo de três pescoços limpo e seco, de 100 mL de tamanho. Coloque uma rolha de borracha no pescoço central do frasco, e um septo de borracha sobre um dos outros pescoços. Deixe o terceiro pescoço aberto. Fure o septo de borracha e introduza um fluxo de nitrogênio através do frasco. O nitrogênio deve fluir no espaço acima da solução, não borbulhando através da solução. O extrato agora pode ser pré-concentrado fluindo nitrogênio para evaporar o excesso de solvente. A amostra está pronta para análise.

Uma amostra de solo foi coletada de um local de Brownfield semelhante a um em Sewickley Pennsylvania, como mostrado na Figura 1. Os campos marrons, conforme definido pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (APA dos EUA), são propriedades reais, onde a expansão, o redesenvolvimento ou o reaproveitamento podem ser complicados devido à presença potencial de contaminantes perigosos. O solo foi coletado do sítio Brownfield usando um amostrador de solo, como mostrado na Figura 2.

O poluente de interesse neste experimento foi a atrazina (Figura 3); um herbicida organocloroide comum. Uma vez extraídos e concentrados os componentes orgânicos do solo, foram analisados por cromatografia gasosa com detector de ionização de chamas (GC-FID). A análise gc foi realizada utilizando-se um Shimadzu 14A GC (detector: FID) equipado com injetor split/splitless e uma coluna capilar CBP-10 (30 m × 0,22 mm i.d.). A temperatura da coluna foi definida pela primeira vez em 150 °C e depois programada de 150 a 230 °C a uma taxa de 5 °C por minuto. A temperatura do injetor foi de 250 °C e a temperatura do detector foi de 260 °C. As injeções foram realizadas com o modo splitless. O gás portador de hélio foi utilizado a uma vazão constante de 1 mL/min. A concentração de atrazina foi calculada utilizando-se concentrações padrão de atrazina, conforme mostrado na Figura 4. Neste caso, a concentração aproximada de atrazina no sítio Brownfield estudado foi de 2 mg de atrazina por kg de solo.

Figura 1. Brownfield em Sewickley, PA.

Figura 2. Solo contaminado coletado usando um amostrador de solo.

Figura 3. Estrutura química do organocloroide atrazina.

Figura 4. Cromatograma gasoso de amostra de solo com atrazina. Inset: padrões de atrazina.

O procedimento geral de extração de líquido sólido é aplicável a uma gama de campos, desde o monitoramento ambiental (mostrado neste vídeo) até cosméticos e processamento de alimentos. A questão crítica é escolher um solvente que efetivamente dissolva o analito. Com mínimas alterações no solvente, o método de preparação da amostra neste vídeo pode ser usado para extrair qualquer uma de uma ampla gama de contaminantes ambientais semivolatile que partição principalmente em solos e lodges.

Exemplos desses semivolatiles incluem muitos poluentes nocivos, como pesticidas, hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs) e bifenilos policlorados (PCBs). Devido aos potenciais efeitos na saúde dessas moléculas, a identificação e quantificação dessas espécies é de interesse acadêmico, e também amplamente praticada na indústria de consultoria ambiental e em órgãos governamentais. A EPA mantém compendia de métodos analíticos e amostrais aprovados para identificar e quantificar possíveis poluentes. O método mostrado neste vídeo ilustra os princípios básicos contidos no método EPA 3550C, que descreve a extração ultrassônica de semivolatiles e não vulgos de sólidos. ¹ Método EPA 3550C é um dos métodos de extração referenciados no método EPA 8081B, que descreve a análise gc de pesticidas organocloridos. ² A maioria dos arquivos de método aprovados pela EPA são escritos com a suposição de que o analista tem treinamento prévio significativo. Assim, a obtenção de familiaridade com as características básicas da preparação da amostra auxilia no acompanhamento dos métodos de EPA.

O uso de um aparelho Soxhlet pode auxiliar na extração de solutos que são mal solúveis em solventes. A configuração consiste em um frasco de fundo redondo, um extrator Soxhlet e um condensador de refluxo. Esta técnica é demonstrada pela remoção de PCBs de peixes, a fim de examinar a transferência de toxinas entre peixes predadores e peixes-presas. ³ Além disso, essa técnica pode ser utilizada para medir o teor de cera em peles de frutas, a fim de entender a composição e degradação de frutas nativas e projetadas. ⁴ Por fim, a extração de carboidratos provenientes da lignocelulose, ou matéria vegetal seca, pode ser realizada por meio da extração líquida sólida. ⁵ Quando os carboidratos são extraídos, a lignina é deixada para trás. Ambos os componentes podem então ser usados para aplicações de biocombustíveis.

1. US Environmental Protection Agency. Ultrasonic Extraction, Method 3550C. Washington: Government Printing Office (2007).
2. US Environmental Protection Agency. Organochlorine pesticides by gas chromatography, Method 8081B. Washington: Government Printing Office (2007).
3. Madenjian, C. P., Rediske, R. R., O'Keefe, J. P., David, S. R. Laboratory Estimation of Net Trophic Transfer Efficiencies of PCB Congeners to Lake Trout (Salvelinus namaycush) from Its Prey. J. Vis. Exp. (90), e51496, (2014).
4. Chatterjee, S., Sarkar, S., Oktawiec, J., Mao, Z., Niitsoo, O., Stark, R. E. Isolation and Biophysical Study of Fruit Cuticles. J. Vis. Exp. (61), e3529, (2012).
5. Mathews, S. L., Ayoub, A. S., Pawlak, J., Grunden, A. M. Methods for Facilitating Microbial Growth on Pulp Mill Waste Streams and Characterization of the Biodegradation Potential of Cultured Microbes. J. Vis. Exp. (82), e51373, (2013).

Nenhum conflito de interesses declarado.