Cromatografia Gasosa


CONCEITO


  A cromatografia pode ser denominada, como um método físico-químico de separação,na qual os componentes de uma amostra a serem separados,são particionados em duas fases:uma estacionária (que fica impregnado na coluna e pode ser um sólido ou um líquido),e a outra uma fase móvel (um gás de arraste inerte),que flui através da primeira.


APLICAÇÕES DA TÉCNICA


As aplicações da cromatografia gasosa são inúmeras.Talvez a sua maior seja na análise de produtos derivados do petróleo- HIDROCARBONETOS- gases e líquidos. A aplicação desta técnica está limitada a componentes que possuem pesos moleculares abaixo de 2000 pois, é necessário que estes se vaporizem totalmente no injetor , para que a eleição e separação sejam eficientes ao passar na coluna e que seja detectado , sem condensar no detector.


O CROMATÓGRAFO


   É a denominação dada ao aparelho que realiza as análises cromatográficas.Um cromatógrafo ,basicamente,consiste nas seguintes partes e suas respectivas finalidades:

·  Cilindro de gás de arraste: Armazenar os gases à altas pressões. A unidade de pressão nos cilindros é KgF/cm².

·  Válvulas de gases:Controlar a pressão de saída dos gases no cilindro.

·  Manômetros:Indicar a pressão interna e pressão de saída dos gases do cilindro.

·  Injetor:Vaporizar a amostra antes de entrar na coluna.

·  Coluna: É o coração do cromatógrafo.É nela onde ocorre a separação dos componentes de uma amostra.

·  Detector: É o olho do cromatógrafo.É o responsável pela detecção dos componentes de uma amostra.

·  Integrador ou computador:É o responsável pela integração dos picos,que gerarão um gráfico denominado cromatograma.


INJETORES


        O injetor é um bloco metálico com aquecimento controlado, cuja finalidade é vaporizar a amostra e de suma importância na realização de uma análise cromatográfica.

  Os injetores são muito importantes para realizar uma análise cromatográfica.A temperatura de operação deste, deve ser suficiente para que a mostra seja vaporizada , antes de entrar na coluna. Normalmente programa-se este ,com uma temperatura 50oC maior , considerando-se o componente da amostra com o maior ponto de ebulição ou seja , a menos volátil.

INJETOR ON COLUMN

Na parte superior do injetor, encontra-se o septo , que é um pequeno disco de borracha siliconizada, cuja finalidade é isolar o sistema cromatográfico do meio ambiente.
  Existem diversos tipos de injetores que são utilizados sendo que, a sua escolha deverá ser em função do tipo de coluna a ser utilizada : colunas empacotadas , capilares ou megabore,conforme os componentes dos cromatógrafos.
  Existem os seguintes tipos mais comuns: On column , Flash e Megabore (com adaptadores). Para colunas capilares podem ser usados : Split/Splitless , Split , On column a frio e Low mass .Um exemplo, para uso em  colunas capilares , é o injetor “SPLIT”,que trabalham com válvulas acionadas por “RELÉS”. Injetamos um microlito de amostra porém, este é diluído conforme a razão do “SPLIT”.

INJETOR SPLIT / SPLITLESS


COLUNAS CROMATOGRÁFICAS


   A coluna cromatográfica , é um tubo com um diâmetro interno , que varia de 1/4 à 1/8 de polegadas ,para colunas empacotadas e de 0.25mm ã 0.53mm para colunas capilares.A coluna é o local onde ocorre a separação dos componentes de uma amostra. A escolha do tipo de coluna a ser usada , vai depender do que se deseja identificar ou quantificar.

As colunas são responsáveis pela separação dos componentes de uma amostra. dependendo da quantidade do componente que se deseja quantificar ou identificar, existem dois tipos mais comuns de colunas: a coluna empacotada e a capilar.A empacotada é usada para a separação de componentes com grandes concentrações e suporta a injeção de um volume maior da amostra que a capilar devido ao seu diâmetro e quantidade de fase estacionária.

O volume de amostra injetado na coluna capilar deverá ser o menor possível , para evitar a saturação da mesma. As colunas capilares separam um maior número de componentes que a empacotada, por possuir um comprimento que pode chegar a mais de 50m, enquanto a empacotada , por possuir um diâmetro maior,geralmente não é operada com um comprimento maior que 15m.
   O volume de amostra injetado na coluna capilar deverá ser o menor possível , para evitar a saturação da mesma. As colunas capilares separam um maior número de componentes que a empacotada, por possuir um comprimento que pode chegar a mais de 50m, enquanto a empacotada , por possuir um diâmetro maior,geralmente não é operada com um comprimento maior que 15m.

COLUNA CAPILAR

COLUNA EMPACOTADA


DETECTORES


Os detectores são os responsáveis pela detecção dos componentes de uma amostra. Eles medem e indicam a variação da composição do gás de arraste ao sair da coluna cromatográfica através de um sinal elétrico.   Os detectores mais usados são os seguintes: DCT (detector de condutividade térmica) , DIC (detector de ionização de chama) e o DCE (detector de captura de elétrons). Podem ser destrutivos -ex: DIC (detector de ionização de chama) , ou não destrutivos ex: DCT (detector de condutividade térmica). O DCT é capaz de detectar água numa amostra.O DIC responde pela massa do componente.   A escolha do detector é importante e depende do material a ser analisado.

  As principais características que devem ser consideradas são as seguintes: seletividade,sensibilidade,resposta,ruído/quantidade mínima detectável e linearidade.

Abaixo, os dois tipos mais comuns;


DETECTOR DE IONIZAÇÃO DE CHAMAS (DIC)

DETECTOR DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA


GASES CROMATOGRÁFICOS


Os gases são os responsáveis por conduzir a amostra, já vaporizada , através da coluna ,até o detector.O gás deve ser inerte, para evitar interações com a amostra ou solvente , ser puro , de baixo custo e efetuar a separação desejada no menor tempo de análise possível. A pureza destes é muito importante na cromatografia gasosa. A quantidade de água afeta a detecção dos componentes.Deverão ser instalados filtros para gases na entrada dos cromatógrafos como: peneira molecular para absorver indesejáveis no hidrogênio e por exemplo , alumina para absorver água do ar sintético quando este for oriundo de outras fontes (ex: compressor de ar) sem pureza informada.Os cilindros dos gases ,são facilmente identificados pela cor usada na sua pintura. veja a seguir alguns gases usados e suas respectivas cores , entre parênteses. Os gases mais utilizados e suas respectivas funções são : · 

  • Hidrogênio (AMARELO):  É o gás combustível do cromatógrafo gasoso, usado nos detectores que destroem a amostra(ex:DIC)) e também é utilizado como gás de arraste nos detectores de condutividade térmica. ·
  • Nitrogênio(CINZA):   É utilizado como gás de arraste no detectores”DIC” e “DCT” · 
  • Ar sintético (CREME): É usado como gás de queima nos detectores destrutivos ( DIC ). Sua composição é de aproximadamente 21% de O2 , 78% de N2 e 1% de outros gases. com pureza cromatográfica a sua umidade é da ordem de 5 ppm de água. · 
  • Argônio (MARRON): Tem a mesma finalidade que o Hélio, como citado acima, porém, este é mais barato.· 
  • Hélio (LARANJA): É o gás mais caro que se encontra no Brasil.É usado como gás de arraste quando necessitamos analisar por exemplo, H2 em gases hidrocarbonetos utilizando-se um detector de condutividade térmica (DCT), ao invés do H2 comumente usado (mais barato).

CILINDROS DE GASES

VAZÃO DE GASES E SUAS FORMAS DE MEDIÇÕES

Para que ocorra a separação dos componentes de uma amostra, é necessário que as vazões dos gases sejam ajustadas.Este ajuste é feito com o auxílio de um aparelho chamado de BOLHÔMETRO.
Os bolhômetros podem ser de dois tipos.Os mais usados são o digital e o de coluna.
  Exemplo de cálculo num bolhômetro de coluna: para a medição da vazão de 20ml/min , num volume escolhido de 10ml , o tempo de escoamento do gás será de 30s. Confira o resultado,utilizando a fórmula abaixo.

VAZÃO(ml/min) =60(s) X VOLUME ESCOLHIDO NO BOLHÔMETRO (ml) / TEMPO DE ESCOAMENTO(S)

MEDIDOR DE FLUXO ANALÓGICO (BOLHÔMETRO)

MEDIDOR DE FLUXO DIGITAL (FLUXÍMETRO)


O GRÁFICO GERADO – CROMATOGRAMA


Abaixo, nós encontramos um gráfico gerado após a separação dos componentes do BUTADIENO 1.3 , numa coluna capilar de Al2O3 com 50m de comprimento.


TERMOS TÉCNICOS MAIS UTILIZADOS NA CROMATOGRAFIA


 

 

 

 

 

 

 

TERMOS TÉCNICOS

SIGNIFICADO
Tempo de Retenção   Tempo no qual o componente permanece na coluna desde o momento da injeção até, a sua eluição .
QMD   Quantidade mínima detectável do componente num detector.
Sangramento da Coluna   Perda de fase estacionária da coluna..Normalmente devido ao uso de altas temperaturas de operação.
Septo   Peça usada na cabeça do injetor, geralmente feita de silicone ou de teflon. Ele é substituído , normalmente quando a área de uma amostra , no cromatograma , diminui. Se houver uma freqüência muito grande de injeções, deverá ter uma troca programada.
Gás de Arraste   É a denominação dada ao gás responsável por levar a amostra , já vaporizada , através da coluna, até o detector ou detectores.
Gás de queima   É o gás responsável pela queima da substância. Exemplo: hidrogênio e o ar sintético.
Pico Fantasma   Pico indesejável que aparece no cromatograma de uma amostra.Pode ser oriundo da amostra ,da coluna ou um problema de detecção.
Microlitro   Unidade de volume que se trabalha na cromatografia que corresponde a 1/1000 litros.
Microseringa   Seringa graduada em microlitros utilizada para injetar as amostras líquidas ou gasosas.
Fase Móvel   É o gás de arraste que conduz a amostra para a coluna.
Fase Estacionária   Um material sólido ou líquido , que preenche as colunas , responsáveis pela separação ou não de um componente, o qual dependerá de sua natureza química.
Suporte da Fase   Fase estacionária sólida inerte, que tem a finalidade de conter uma fase estacionária líquida e que não participa quimicamente da separação de nenhum componente da amostra.
Linha de Base   É a linha gerada no gráfico , quando da passagem apenas do gás de arraste no detector. O ideal é que seja uma linha reta.
Cromatograma   Gráfico gerado pelo integrador ou computador, que normalmente apresenta os picos dos componentes, suas áreas, as suas concentrações e o tempo de retenção de cada um.
Ruídos   São sinais observados na linha de base de uma amostra no seu cromatograma
Composto NI   Componente de uma amostra que ainda não foi identificado.
PPM   Concentração de um componente em partes por milhão.Um porcento equivale a 10000 ppm. Ela expressa pequenas quantidades de impurezas de uma amostra.
Cálculo em Área Porcentual   É o cálculo da concentração de todos componentes de uma amostra , relativo ao somatório da área total destes.
Fator de Resposta   É o resultado da divisão da área integrada de um componente dividida por sua respectiva concentração.Este cálculo é usado na Padronização Externa.
Eluição do Pico   É a saída,o aparecimento do pico, após a passagem por uma coluna, de um dado componente de uma amostra.
Vazão dos Gases   É a razão do volume de um gás, que passa através de um sistema cromatográfico ,por unidade de tempo ,expressa geralmente em mililitros por minuto ( ml / min ).
Razão do Split   É a razão do volume de injeção de uma amostra pelo volume de diluição ,que acontece dentro de um injetor.Ex: 1/100 ,ou seja,1ul da amostra diluídos em 100ul de gás.
Coluna Empacotada   É o tipo mais comum , quando não se precisa determinar pequenas quantidades de impurezas (ex: ppm)de um componente de uma amostra.É fabricados, geralmente,de aço inox com um diâmetro interno de 1/8 de polegadas e um comprimento a partir de 3m.Pode ser confeccionada em laboratório.
Coluna Capilar   É a coluna mais eficiente para se trabalhar. Com ela é possível analisar mais de 100 componentes de uma amostra se a fase usada for adequada.É feita de sílica fundida e é bastante frágil.Trabalha-se com pequenos volumes de amostra – menores que 1ul. Seu diâmetro interno é da ordem de micras (Ex:coluna de FFAP DE 50m de comprimento e o,22um de diâmetro).
Coluna Megabore   Colunas com características físicas intermediárias entre as empacotadas e as capilares.
Coluna de Sacrifício   Coluna muito utilizada para conter partículas ou produtos que não vaporizem, conectadas no início das colunas empacotadas , saída do injetor.São fabricadas com uma fase estacionária inerte.


A PREPARAÇÃO DE UM PADRÃO CROMATOGRÁFICO


Para se trabalhar com cromatografia, é necessário que façamos uma calibração através de um padrão com as concentrações dos componentes, próximas as da amostra que iremos analisar.A preparação de um padrão cromatográfico não é tarefa difícil de se realizar porém, é necessário que antes da preparação, conheçamos algumas propriedades dos componentes que farão parte deste bem como , para definir a sua composição ,a origem da amostra que será analisada.A volatilidade dos componentes deve ser levada em consideração pois, o componente mais volátil deverá ser o último a ser adicionado no padrão , para evitar ao máximo a perda deste, durante o seu manuseio e inserção no recipiente que será usado para armazená-lo.

PROCEDIMENTOS

Para se preparar de um padrão cromatográfico necessitamos realizar os seguintes passos:

1)  selecionar os reagentes que farão parte do padrão com suas respectivas purezas conhecidas.

2)  selecionar os materiais e equipamentos que serão usados: seringa, balança analítica,papel absorvente,e o recipiente onde será preparado o padrão (frasco ou cilindro,se for o caso).Todo o material utilizado deverá estar limpo com detergentes ou com solução sulfocrômica , para que todo material orgânico seja eliminado e,após a lavagem,secar em estufa à 100oC POR 1 hora.

3)  Com base na possível concentração dos componentes da amostra, calcular as massas que deverão ser pesadas.

4)  Adicionar os padrões seguindo a ordem crescente de suas volatilidades pesando os reagentes na seguinte ordem: 1-etanol (nesse caso  é o solvente do padrão), 2)isopropanol, 3)metanol e 4)o aldeído acético. 5)  Guardar o padrão em um lugar refrigerado ,de preferência no freezer,para evitar que este seja alterado por perda do (s) componente (s) mais volátil.

TABELA-1 : Concentração teórica dos componentes e massas a adicionar no padrão.

Componente Concentração Teórica   Massa a pesar
 metanol  1,0000%  1,0000g
 isopropanol  1,0000%  1,0000g
 aldeído acético  0,2000%  0,2000g
  etanol   solvente  97,8000g

TABELA-2 : Concentração teórica dos componentes e massas adicionadas no padrão

Componente Massa pesada   Concentração
 metanol  1,2525g   1,2422%
 isopropanol  1,0025g   0,9958%
 aldeído acético  0,2120g  0,2106%
  etanol  solvente  solvente


CALIBRAÇÃO POR PADRONIZAÇÃO EXTERNA

É o método mais usado na cromatografia gasosa. O maior problema encontrado é a reprodutibilidade das injeções pois, o valor da área de um componente do padrão, de uma seqüência de injeções,não deverá variar mais que 5% entre elas.

A calibração por padronização externa consiste em:1- Elaborar um padrão cromatográfico

1- Elaborar um padrão cromatográfico

2- Injetar pelo menos 5 vezes este padrão , com um volume fixo.

3- Obter a média das áreas de cada componente do padrão.

4- Dividir as médias das áreas de cada componente pelas suas respectivas concentrações. Desta forma, obtém-se o Fator de Resposta de cada um.

CÁLCULO DE FATOR DE RESPOSTA DE UM COMPONENTE

Abaixo encontramos o cálculo do fator de resposta de um dado componente resultante da razão da área integrada pelo integrador/computador , pela concentração do componente no padrão .
  Veja abaixo a fórmula de cálculo do fator de resposta de um componente.

FATOR DE RESPOSTA =ÁREA OBTIDA NO CROMATOGRAMA
CONCENTRAÇÃO DO COMPONENTE

TABELA-1 : Concentração dos componentes e fatores de respostas dos componentes no padrão.

Componente Área obtida   Fator de Resposta  Concentração em % massa
 metanol  90111  64415   1,3989
 isopropanol  58121  48880   1,1890
 aldeído acético  23333  48537   0,4807
  etanol   solvente  solvente  solvente


CÁLCULO DA CONCENTRAÇÃO DE UM COMPONENTE

Abaixo encontramos o cálculo para determinar a concentração de cada componente de uma amostra desconhecida que é o resultado das áreas individuais de cada componente , divididas pelos seus respectivos fatores de respostas .
  Veja abaixo a fórmula de cálculo da concentração de um componente.

CONCENTRAÇÃO DO COMPONENTE =
ÁREA DO COMPONENTE NO CROMATOGRAMA
FATOR DE RESPOSTA

TABELA-2 : Concentração dos componentes de uma amostra desconhecida

Componente Área obtida   Fator de Resposta  Concentração em % massa
 metanol  90111  64415   1,3989
 isopropanol  58121  48880   1,1890
 aldeído acético  23333  48537   0,4807
  etanol   solvente  solvente  solvente


CONSTRUÇÃO DA CURVA DE CALIBRAÇÃO


MÉTODO DA REGRESSÃO LINEAR COM O EXCEL

Exemplo de uma Seqüência da construção:

1) digitar  em duas colunas paralelas os valores das áreas e das respectivas concentrações dos padrões.Veja a tabela abaixo.

ÁREAS CONCENTRAÇÕES %
97000 0,730
133000 1,000
189000 1,390
274000 2,010
320000 2,350
382000 2,800

2) com a utilização do mouse, selecionar todos as  colunas da tabela elaborada.

ÁREAS CONCENTRAÇÕES %
97000 0,730
133000 1,000
189000 1,390
274000 2,010
320000 2,350
382000 2,800

3) clicar no ícone de construção de gráficos no EXCEL.

4) selecionar o tipo dispersão , o primeiro subtipo que compara pares de valores e clic  com o mouse em avançar duas vezes.

5) digitar em título do gráfico : CURVA DE CALIBRAÇÃO DO METANOL

6) digitar em eixo dos valores(x): ÁREA   digitar em eixo dos valores (y): CONCENTRAÇÃO%, e em seguida clic em avançar ,em seguida clic com o mouse em concluir.

8) expandir a área do gráfico ,para uma melhor visualização, através do arraste do mouse.

9) com a ajuda do mouse, clic num dos pontos da curva no gráfico.Todos os pontos da curva ficarão amarelos.

10) clic em gráfico na barra superior e na janela que abre, clic em adicionar linhas de tendência. Na tela que abre , selecionar a opção linear.

11) clic na tela adicionar linhas de tendência, em opções. Marque os campos: definir interseção =0 , exibir equação no gráfico e exibir valor de R-quadrado no gráfico. Clic em OK. Para um melhor destaque dos valores de Y e R2, marque a área destes e clic em cor do preenchimento (selecione a sua cor) na barra superior do EXCEL.

12) Calcular a concentração do Metanol na amostra.

CÁLCULO DA CONCENTRAÇÃO DE METANOL

CÁLCULO-1

Abaixo encontramos o cálculo  para determinar a concentração de metanol de uma amostra desconhecida , a partir da equação da reta obtida no gráfico acima.Veja abaixo a fórmula de cálculo da concentração de metanol.

 A concentração do metanol da amostra é com relação a uma área obtida no cromatograma de 167000.

%metanol =  área*0,0000073573 

%metanol = 167000 *0,0000073504= 1,2275%

CÁLCULO-2

Através do cálculo do fator de reposta do padrão em cada concentração e utilizando a média entre eles, obtemos a seguinte concentração de metanol na amostra:

FATOR DE RESPOSTA = ÁREA OBTIDA NO CROMATOGRAMA
                                       CONCENTRAÇÃO DE CADA PADRÃO

ÁREAS CONCENTRAÇÕES FATORES DE RESPOSTAS
97000 0,730 132876,7
133000 1,000 133000,0
189000 1,390 135971,2
274000 2,010 136318,4
320000 2,350 136170,2
382000 2,800 136428,6

MÉDIA DOS FATORES DE RESPOSTAS = 135127,5

%metanol = 167000 /135127,5= 1,2357%

CONCLUSÃO:

Os valores obtidos  nos dois modos de cálculos, são muito próximos. A razão entre o valor do CÁLCULO-1 e o CÁLCULO-2 é :

Razão do % CÁLCULO-1 / % CÁLCULO-2  = 1,2275 / 1,2357

Razão= 0,9934


BIBLIOGRAFIA


FUNDAMENTOS DA CROMATOGRAFIA À GÁS

Remolo Ciola

Editora Edgard Blucher, Edição 2ª edição , Ano 1985

FUNDAMENTOS DE CROMATOGRAFIA

 Bonato Pierina S. C. Colins Carol H Braga Gilberto

Editora Unicamp , 1ª Edição , Ano 2006

INTRODUÇÃO À PRÁTICA DA CROMATOGRAFIA GÁS-LÍQUIDO

H.J. Chaves Das Neves

Editora Universidade Nova de Lisboa, Edição 1ª edição, Ano 1980

ANÁLISE INORGÂNICA QUANTITATIVA – VOGEL

Basset , Denney ,Jeffrery,Menhham

Editora Guanabara Dois, 4ª Edição  , Ano 1981