Estudos de adsorção de metais com interesse ambiental utilizando sensores acústicos de cristais piezoelétricos de quartzo

Abstract

A descarga de efluentes industriais, deposições atmosféricas, esgotos dos centros urbanos e contaminação proveniente de explorações agrícolas têm contribuído muito para o aumento da carga de metais pesados nos ambientes aquáticos. É desejável que a quantificação desses metais se faça por técnicas baratas, fiáveis e simples de utilizar, de modo a torná-las mais aplicáveis e permitir difundir os seus resultados na sociedade. A Microbalança de Cristal de Quartzo, MCQ, é um dispositivo piezoelétrico que alia a sua elevada sensibilidade à simplicidade e demonstrou já capacidade para produzir resultados fiáveis em análises quantitativas. No entanto, a MCQ não possui sensibilidade necessária para detectar metais ao nível de traços, tornando-se necessário fazer uso da Microbalança Eletroquímica de Cristais de Quarzto (MECQ), a qual dá informações complementares importantes em relação às técnicas eletroquímicas usuais, tais como mudanças de massa à superfície do eletrodo ou mudanças na viscosidade e densidade da solução. A leitura da massa depositada no eletrodo do cristal de quartzo, por Voltametria de Redissolução Anódica, permitiu determinar a concentração de cobre, dissolvido e na matéria particulada, existente na Ria de Aveiro, com limite de detecção de 1,46 μg L-1. A MECQ permitiu ainda estudar, sob uma nova perspectiva, os fenômenos de complexação. Essa possibilidade foi explorada mediante estudos da interação do chumbo com os ácidos húmicos. Estudos que envolveram processos de adsorção do cobre e do chumbo nos ambientes aquáticos foram também realizados com a MCQ. Porém, torna-se importante salientar que as concentrações dos metais em estudo estiveram na ordem dos mg L-1. Esses estudos foram concretizados recorrendo-se a modelos tão próximos quanto possíveis da natureza, colocando-se o cobre e o chumbo em contato com substâncias que simularam o material orgânico (ácidos húmicos) e os óxidos metálicos (Fe e Mn). Essa pesquisa se realizou revestindo-se os cristais de quartzo com substâncias que permitiram modelar esses componentes, existentes nos sistemas estuarinos. A superfície dos cristais revestidos foi estudada recorrendo-se à Difração de Raios X, a fim de se realizar a caracterização mineralógica dos produtos sintetizados que foram empregados para revestir o cristal piezoelétrico. Os ensaios biológicos, seguidos em tempo real, consistiram no desenvolvimento de uma metodologia para monitorar o crescimento de bactérias originárias da Ria de Aveiro, na presença de quantidades conhecidas de cobre, por meio dos cristais de quartzo. Com essa metodologia, foi possível determinar a quantidade a partir da qual o cobre se tornava tóxico e provocava a destruição das bactérias.

The discharge of industrial effluent, atmospheric depositions, sewers of the urban centers and contamination proceeding from agricultural explorations have been contributing to the increase of the heavy metal loading in aquatic environment. The availability of simple and inexpensive techniques to quantify those metals would allow the analysis to be made on a rotinary basis and their results to be widespreaded between the population. The Quartz Crystal Microbalance, QCM, is well known by its sensitivity and simplicity and was already shown to be able to produce reliable results in quantitative analysis. However, the QCM does not possess the necessary sensitivity to detect metals at trace level, becoming necessary to include an electrochemical preconcentration stage. The Electrochemical Quartz Crystal Microbalance, EQCM, gives important complementary information in relation to the usual electrochemical techniques, such as changes of mass onto the surface of the electrode and changes in viscosity and density of the solution. The reading of the mass deposited on the electrode of the quartz crystal, by Anodic Stripping Voltammetry, allowed to determine the copper concentration, dissolved and in the particulate matter, existing in Ria de Aveiro, with a detention limit of 1,46 μg L-1. The EQCM also allowed studying the complexation phenomena, under a new perspective. This possibility was explored by studying the interaction of lead with the humic acids. Adsorptions of copper and lead in aquatic environment have also been carried out with the QCM. However, it is important to point out that the concentration of the metals on these studies had been in the range of mg L-1. These studies had been done using models to mimic adsorption in the nature. Copper and lead were put in contact with substances that simulated the organic material (humic acids) and metallic oxides (Fe and Mn). This research was carried out coating the quartz crystals with the humic acids and metallic oxides. The surface of coated crystals was studied by XR diffraction, in order to characterize mineralogicaly the synthesized products that have been used to coat the piezoelectric crystal. The biological assays, followed in real time, used a methodology specially developed to monitor the growth of bacteria isolated from Ria de Aveiro. These studies were carried out both in the absence and in the presence of well-known amounts of copper, using quartz crystals. With this methodology, it was possible to determine the amount of copper beyond which toxicity was detected and provoked the destruction of the bacteria.