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Determinação de NOx no escapamento do automóvel usando espectroscopia UV-VIS
 
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Determinação de NOx no escapamento do automóvel usando espectroscopia UV-VIS

Overview

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

Na troposfera, o ozônio é naturalmente formado quando a luz solar divide o dióxido de nitrogênio (NO2):

NO2 + luz solar → NO + O

O + O2 → O3

O ozônio (O3) pode reagir com óxido nítrico (NÃO) para formar dióxido de nitrogênio (NO2) e oxigênio:

NÃO + O3 → NO2 + O2

Isso não resulta em nenhum ganho líquido de ozônio (O3). No entanto, com a produção antropogênica de precursores formadores de ozônio (NO, NO2e compostos orgânicos voláteis) através da combustão de combustíveis fósseis, foram encontrados níveis elevados de ozônio na troposfera. O escapamento de veículos automotores é uma fonte significativa desses precursores formadores de ozônio: NO, NO2e compostos orgânicos voláteis (VOCs). Por exemplo, as fontes móveis compõem quase 60% das emissões NO + NO2.

Nas altas temperaturas encontradas na câmara de combustão de um carro, nitrogênio e oxigênio do ar reagem para formar óxido nítrico (NO) e dióxido de nitrogênio (Nº2):

N2(g) + O2(g)→ 2 NO(g)

2 NO(g) + O2(g)→ 2 NO2(g)

O óxido nítrico (NO) emitido no escapamento do carro é gradualmente oxidado ao dióxido de nitrogênio (NO2) no ar ambiente. Esta mistura de NO e NO2 é frequentemente referida como NOx. Quando o NOx reage com compostos orgânicos voláteis na atmosfera na presença da luz solar, formas de ozônio troposférico, como visto nesta reação química simplificada:

NOx + VOCs + luz solar → O3 + outros produtos

Esta mistura nociva de poluição do ar, que pode incluir aldeídos, nitratos de peroxilato, ozônio, VOCs e NOx,é chamada de poluição fotoquímica. O ozônio é o maior componente da poluição fotoquímica. Essa poluição é encontrada em todas as cidades modernas, mas é encontrada especialmente em cidades com climas ensolarados, quentes, secos e um grande número de veículos motorizados. A cor amarelo-marrom da poluição no ar deve-se, em parte, ao dióxido de nitrogênio presente, uma vez que este gás absorve luz visível perto de 400 nm(Figura 1).

A exposição de curto prazo no2 (30 min a 1 dia) leva a efeitos respiratórios adversos em pessoas saudáveis e aumento dos sintomas respiratórios em pessoas com asma. NOx reage com amônia e outros compostos para formar partículas. Essas pequenas partículas podem penetrar nos pulmões e causar problemas respiratórios, incluindo enfisema e bronquite. Indivíduos que passam muito tempo na estrada ou que vivem perto de uma estrada experimentam uma exposição consideravelmente maior ao NO2.

Devido ao impacto que tem na saúde humana e no meio ambiente, a Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA) classificou o NO2 como um poluente de critérios e estabeleceu o padrão primário em 100 ppb (98º percentil de concentrações máximas diárias de 1h, médias ao longo de 3 anos) e 53 ppb (média anual). Considerando que os veículos on-road são responsáveis por aproximadamente 1/3 das emissões NOX nos EUA, as emissões de automóveis são, portanto, reguladas através da Lei do Ar Limpo. Atualmente, os padrões de emissão de nível 2 estabelecem que os fabricantes devem ter emissões médias de NOx de frota de no máximo 0,07 g/milha.

Uma maneira de os fabricantes atenderem a este padrão é usando conversores catalíticos em seus carros. Este dispositivo é colocado entre o motor e o escapamento. O fluxo de escape passa pelo conversor catalítico e é exposto a um catalisador. Um catalisador de redução de platina e ródio é usado para reduzir a concentração NOx no escapamento. Quando uma molécula NO ou NO2 no escapamento entra em contato com o catalisador, o átomo de nitrogênio é retirado da molécula e mantido pelo catalisador. O oxigênio é liberado e forma O2. O átomo de nitrogênio no catalisador se liga com outro átomo de nitrogênio mantido no catalisador para formar n2.

Os conversores catalíticos reduziram consideravelmente as emissões de NOx do escapamento do carro – até 80% de redução, quando executados corretamente. No entanto, eles só funcionam quando atingiram uma temperatura bastante alta. Portanto, ao fazer uma partida fria de um carro, o conversor catalítico está removendo praticamente nenhum NOx. Não é até que o conversor catalítico atinja temperaturas mais altas que ele efetivamente remove o NOx do fluxo de escape. Os conversores catalíticos não funcionam em carros de passeio a diesel devido às condições magras em que operam. Além disso, o enxofre no diesel também desativa o catalisador. O NOx em motores diesel são reduzidos principalmente através da válvula de recirculação de gases de escape (EGR), que esfria a temperatura dos gases de combustão. Como resultado, os carros a diesel geralmente emitem mais NOx do que carros a gasolina.

Figure 1
Figura 1. Coloração característica para poluição na Califórnia no banco de nuvens bege atrás da Ponte Golden Gate. A coloração marrom é devido ao NOx na poluição fotoquímica.

Principles

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Neste experimento, a concentração de NOx no fluxo de escape de várias marcas de automóveis é medida duas vezes (após a partida e depois de 10 minutos) para estudar a capacidade do conversor catalítico do carro para remover o NOx do escapamento. O conversor catalítico requer uma alta temperatura para ser eficaz. Portanto, a medição do escapamento na partida do carro representa a quantidade de NOx no escapamento sem o conversor catalítico funcionando. A medição do escapamento após 10 min representa a quantidade de NOx no escapamento após o conversor catalítico estiver em vigor.

A concentração NOx é determinada colorimetricamente pela diazotização do ácido sulfanílico e posterior reação com N-(1-nafthyl)-etilenediamina e medindo a intensidade de cor da molécula de corante azo resultante usando um espectrofotômetro UV-VIS definido a 550 nm.

Em solução, NO e NO2 sofrem as seguintes reações para formar o Nº2-:

2 NO2(g) + H2O(l) → 2H+(aq) + NO2-(aq) + NO3-(aq)

4NO(g) + O2(g) + 2 H2O(l) → 4 NO2-(aq) + 4 H+(aq)

Embora a relação esperada entre o NO2 e o NO2- seja de 2:1 com base na primeira equação listada anteriormente, ela foi determinar empiricamente 1.39:1.

Quando o ácido sulfanílico e o n-(1-nafthyl)-etilenediamina são adicionados à solução, uma molécula cor-de-rosa se desenvolve(Figura 2).

A concentração desta molécula cor-de-rosa é diretamente proporcional à concentração do NOx na solução. A concentração da molécula de corante azo é medida usando um espectrofotômetro UV-VIS fixado em 550 nm.

A espectroscopia UV-VIS baseia-se na medição da absorvância (A) das soluções mantidas em um recipiente transparente de largura b (em cm). A concentração das espécies absorventes é diretamente proporcional à absorvância, como visto na seguinte equação:

A = Element Of b c

onde Element Of está a absortividade molar. Esta equação é conhecida como Lei da Cerveja. A absortividade molar é uma medida de quão fortemente uma substância absorve a luz em um determinado comprimento de onda e é uma constante para uma determinada substância.

Para medir a absorvância de uma solução, um feixe de luz com intensidade Io é direcionado para a solução em uma cuvette(Figura 3). A intensidade do feixe de entrada (Io) e do feixe emergente (I) são medidos, e a absorvância é calculada por:

Element Of

Figure 2
Figura 2. Uma molécula cor-de-rosa que se desenvolve quando o ácido sulfanílico e o n-(1-nafthyl)-etilenediamina são adicionados à solução.

Figure 3
Figura 3. Um feixe de luz com intensidade Io visando a solução em uma cuvette.

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Procedure

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1. Preparação de Nitrito (NO2-) Solução de estoque

  1. Pesar 1.500 g NaNO2 e adicionar a um frasco volumoso de 1 L.
  2. Diluir a marca usando água nanopurada. (Verifique a água destilada da torneira – pode conter nitrito suficiente para interferir nas medidas.) Isso produz uma solução de estoque de 1.000 μg NO2-/mL.
  3. Para fazer uma solução de 5,0 μg NO2-/mL, pegue 1 mL da solução 1.000 μg NO2-/mLe dilua para 200 mL em um frasco volumoso.

2. Preparação da solução NOx Indicator

  1. Pesar 5,0 g de ácido sulfanílico anidro e adicionar a um frasco volumoso de 1 L.
  2. Adicione 500 mL de água nanopurada.
  3. Adicione 140 mL de ácido acético glacial.
  4. Com uma barra de mexida, mexa a solução até que o ácido sulfanílico se dissolva. Isso leva aproximadamente 30 minutos.
  5. Pesar 0,020 g de N-(1-nafthyl)-dihidrocloida de etilenodiamina e adicionar ao frasco volumoso.
  6. Diluir a marca usando água nanopurada.
  7. Transfira para uma garrafa escura (para evitar fotodecomposição) e rolha firmemente (para evitar reação com ar).

3. Elaboração de Normas de Calibração

  1. Coloque 1,0 mL da solução de 5,0 μg NO2-/mL em um frasco volumoso de 25 mL e diluir com a solução indicador NOx para a marca. Isso faz uma solução padrão NO 2-/mL de0,2μg.
  2. Coloque 2,0 mL da solução de 5,0 μg NO2-/mL em um frasco volumoso de 25 mL e diluir com a solução indicador NOx para a marca. Isso faz uma solução padrão NO 22 -/mL de0,4μg.
  3. Coloque 3,0 mL da solução no2- /mL de 5,0 μg em um frasco volumoso de 25 mL e dilua com a solução indicador NOx para a marca. Isso faz uma solução padrão NO 2-/mL de0,6μg.
  4. Coloque 4,0 mL da solução de 5,0 μg NO2-/mL em um frasco volumoso de 25 mL e diluir com a solução indicador NOx para a marca. Isso faz uma solução padrão NO 2-/mL de0,8μg.
  5. Coloque 5,0 mL da solução no2-/mL de 5,0 μg em um frasco volumoso de 25 mL e dilua com a solução indicador NOx para a marca. Isso faz uma solução padrão 1.0 μg NO2-/mL.

4. Criação da Curva Padrão

  1. Usando um espectrofotômetro UV-VIS, defina o instrumento para ler Absorvência.
  2. Coloque o comprimento de onda para 550 nm no espectrômetro.
  3. Usando a solução indicador NOx, zero o espectrômetro.
  4. Meça a absorção das 5 soluções padrão. Valores de registro na tabela de dados (Tabela 1).

5. Medição da amostra de exaustão do automóvel

  1. Ligue o automóvel movido a diesel.
  2. Usando uma seringa de 60 mL a gás, insira-a alguns centímetros no escapamento. Evite queimaduras e não respire fumaça. Desenhe e expulse o escapamento duas vezes para condicionar a seringa.
  3. Desenhe 25 mL da solução indicador NOx na seringa. Expulse qualquer ar da seringa sem derramar a solução indicadora.
  4. Desenhe 35 mL de escape na seringa, puxando o êmbolo para a marca de 60 mL.
  5. Tampe a seringa. Agite a solução na seringa por 2 minutos. Cubra a seringa com papel alumínio.
  6. Meça a temperatura do ar no escapamento ao coletar as amostras.
  7. Repita as etapas 5.1 – 5.6 usando um automóvel movido a gasolina. Esses passos podem ser repetidos quantas vezes desejarem, utilizando vários modelos de automóveis.
  8. Repetição passos 5.1 – 5.6 depois que os automóveis foram rodando pelo menos 10 minutos.
  9. Aguarde 45 min para permitir que a cor se desenvolva, antes de medir a absorvência da solução.
  10. Após os 45 minutos, expulse o gás da seringa, coloque a solução em uma cuvette e meça a absorvância usando o conjunto espectrômetro a 550 nm. Valores de registro na tabela de dados (Tabela 1).
Amostra Absorvância
0.2 μg NO2-/mL padrão
0,4 μg NO2-/mL padrão
0,6 μg NO2-/mL padrão
0,8 μg NO2-/mL padrão
1.0 μg NO2-/mL padrão
Escapamento do carro diesel (após a inicialização)
Escapamento do carro diesel (depois de correr 10 min)
Escape do carro a gasolina (após a inicialização)
Escapamento do carro a gasolina (depois de correr 10 min)

Mesa 1. Tabela de dados em branco para registrar valores de absorção.

Uma mistura de óxido nítrico e dióxido de nitrogênio é geralmente referida como NOx. Como subproduto encontrado no escapamento do automóvel, o NOx pode ser prejudicial ao meio ambiente, formando o ozônio troposférico prejudicial.

A altas temperaturas na câmara de combustão de um motor, nitrogênio e oxigênio do ar podem reagir para formar óxido nítrico e dióxido de nitrogênio. Na presença da luz solar, o NOx reage com compostos orgânicos voláteis na atmosfera para formar ozônio e outros produtos. O ozônio troposférico é um risco para a saúde, potencialmente causando irritação pulmonar e ocular entre outras queixas, e é um componente importante da poluição fotoquímica.

Este vídeo ilustrará os princípios por trás da produção de ozônio NOx e troposférico, como fabricar soluções indicadoras e como medir e quantificar a produção NOx a partir de escapamentos de automóveis.

Os automóveis on-road são responsáveis por aproximadamente um terço das emissões NOx nos EUA, e as emissões são estritamente reguladas através da Lei do Ar Limpo. Conversores catalíticos, localizados entre o motor e o escapamento de um carro, podem reduzir significativamente a concentração NOx no escapamento, mas estes exigem altas temperaturas para funcionar, por isso só reduzirão o NOx depois que um automóvel estiver funcionando o suficiente para aquecer o conversor.

Devido a essa diferença na capacidade dos conversores catalíticos de remover NOx a diferentes temperaturas, as emissões NOx são tipicamente lidas no início do veículo, e depois de rodar por 10 minutos. Isso dá uma quantificação da emissão NOx produzida pelo automóvel, e também uma indicação da capacidade do conversor catalítico de remover o NOx.

Quando o NOx é adicionado a uma solução contendo ácido sulfanílico e naftil-etilenodiamina, a reação resultante forma uma molécula de corante cor-de-rosa. A intensidade deste rosa é diretamente proporcional à concentração de NOx na solução, e pode ser medida usando um espectrômetro UV-VIS para dar uma quantificação da quantidade de NOx quando plotado contra padrões em uma curva de calibração.

Agora que estamos familiarizados com o processo de formação NOx, vamos ver como a produção NOx por automóveis pode ser quantificada em um ambiente experimental.

Para iniciar o experimento, soluções de detecção que reagirão com o NOx devem ser preparadas. Para preparar a solução de estoque de nitrito, primeiro pesar 1,5 g de nitrito de sódio e adicioná-lo a um frasco volumoso de 1 L. Adicione água sem nitrito à marca 1 L no frasco. Isso produz uma solução de estoque de 1.000 μg de nitrito por mL. Rotule esta solução de estoque adequadamente. Para fazer uma solução de trabalho de 5 μg de nitrito por mililitro, pegue um frasco fresco e adicione 1 mL da solução de estoque. Diluir para 200 mL.

Para preparar a solução indicadora NOx, primeiro pesar 5 g de ácido sulfanílico anidro e adicionar a um frasco volumoso de 1 L. Ao mesmo frasco, adicione 500 mL de água livre de nitrito, depois 140 mL de acético glacial. Gire a solução, até que o ácido sulfanílico se dissolva.

Em seguida, pese 20 mg de naftil-etilenodiamina e adicione-o ao frasco. Por fim, encha o frasco para a linha 1-L com água livre de nitrito. Transfira a solução para uma garrafa escura para evitar fotodecomposição, rolha firmemente e rotule adequadamente.

Para gerar uma curva padrão, é necessário criar padrões de calibração. Primeiro, coloque 1 mL da solução de estoque de nitrito de 5,0 μg em um frasco volumoso de 25 mL e dilua com a solução indicador NOx à marca de calibração. Isso faz uma solução padrão NO2 2-/mL de 0,2 μg.

Em seguida, prepare soluções padrão 0.4, 0.6, 0.8 e 1 μg NO2-/mL adicionando soluções de nitrito de 2, 3, 4 e 5 mL para separar frascos de 25 mL e preencher cada uma com a marca com solução indicadora NOX.

Usando um espectrofotômetro UV-VIS, defina o instrumento para ler a absorvência. Em seguida, defina o comprimento de onda para 550 nanômetros. Adicione a solução indicadora NOx a uma célula de amostra de espectrofotômetro limpo e use-a para zerar o espectrômetro. Por fim, meça a absorção das cinco soluções padrão e regissuira os valores.

Para começar as leituras, inicie o automóvel movido a diesel. Pegue uma seringa de 60 mL e insira-a alguns centímetros no tubo da cauda, tomando cuidado para evitar queimaduras ou inalação de fumaça. Desenhe e expulse o escapamento duas vezes para condicionar a seringa.

Em seguida, desenhe 25 mL da solução indicador NOx na seringa. Expulse qualquer ar da seringa sem derramar a solução indicadora. Por fim, desenhe 35 mL de escape na seringa, puxando o êmbolo para a marca de 60 mL, em seguida, retire e tampe a seringa.

Agite a solução na seringa à mão por 2 minutos. Cubra a seringa com papel alumínio. Por fim, meça a temperatura do ar no tubo de cauda da amostra. Repita o processo de amostragem com um automóvel movido a gasolina e qualquer outro modelo ou design de automóvel desejado.

Repita o experimento depois que os veículos estiverem funcionando por pelo menos 10 minutos. Uma vez que todas as amostras tenham sido coletadas, espere 45 min para permitir que a cor se desenvolva. Por fim, expulse o gás das seringas e coloque as soluções indicadoras de amostra em cuvetas individuais. Meça a absorvência usando o espectrofotômetro fixado em 550 nm e registe os valores.

Utilizando as medidas de absorvância das soluções padrão, faça um parcela de absorção versus concentração de nitrito. Determine a linha mais adequada dos dados. Usando esta linha mais adequada, calcule a concentração de nitrito em cada solução de teste. Esse valor pode então ser convertido em dióxido de nitrogênio no escapamento.

A concentração de dióxido de nitrogênio calculada na verdade representa todo o NOx na amostra de exaustão. O ppmV, ou partes por milhão por volume para conversão de μg/L depende da temperatura e pressão em que as amostras foram coletadas.

Os automóveis não são a única fonte de NOx. O monitoramento de sua produção é importante em uma ampla gama de campos.

A fumaça do cigarro geralmente contém uma concentração maior de NOx do que emitida a partir de motores de automóveis. Os valores típicos para NOx em fumaça de cigarro variam de 500-800 ppm, em comparação com 21-48 ppm para emissões de um carro a gasolina, ou cerca de 500 ppm para um veículo a diesel. Isso pode resultar em uma variedade de problemas de saúde pessoal, incluindo bronquite, irritação do nariz e garganta, infecções respiratórias ou bloqueio da transferência de oxigênio na corrente sanguínea. Os níveisde nox também podem ser quantificados usando os métodos mostrados neste vídeo.

Bactérias nitrifiquentes são encontradas no solo e na água, e desempenham um papel importante no ciclo do nitrogênio, oxidando amônia ao nitrito e, em seguida, nitrato. Assim como os gases de escape e a fumaça do cigarro, os níveis NOx no solo também podem ser examinados e quantificados colorimetricamente.

Nitratos e nitritos também podem ser encontrados em quantidades mensuráveis em produtos alimentícios. Para alimentos curados, nitratos e nitritos podem ser adicionados como conservantes, mais comumente em carnes e produtos de carne. Estes têm ações antimicrobianas, bem como de fixação e preservação de cores, e um efeito benéfico indireto significativo sobre o sabor. No entanto, o teor muito alto de nitrito pode levar a complicações médicas, incluindo methemoglobinemia infantil, ou causar vida útil reduzida de produtos devido a efeitos como queimadura de nitrito. O conteúdo de nitrito em alimentos curados deve, portanto, ser monitorado de perto, e isso pode ser realizado usando uma versão modificada do teste colorimétrico.

Você acabou de assistir a introdução do JoVE à determinação de NOx. Agora você deve entender como o NOx é formado em motores de automóveis, como formular soluções nox indicador e como medir e quantificar NOx a partir de gases de escape do veículo.

Obrigado por assistir!

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Results

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A Tabela 2 fornece um exemplo de resultados adequados. Utilizando as medidas de absorvência das soluções padrão, pode ser feita uma parcela de Absorvência versus Concentração de NO2( Figura 4). Então, a linha mais adequada dos dados pode ser determinada. Utilizando a linha mais adequada da curva padrão, a concentração de NO2- em cada solução desconhecida (μg/mL) pode ser calculada. Este valor pode ser convertido para a concentração de NO2 na amostra gasosa de exaustão usando a seguinte equação:

Equation 1

Com base na equação equilibrada de NO2 em H2O visto anteriormente, uma proporção de 2 mol NO2/1 mol NO2- é esperado. Em experimentos empíricos, descobriu-se que estava mais perto de uma proporção de 1,39:1. O volume da solução utilizada foi de 25 mL. O volume da amostra de gás foi de 35 mL.

A concentração de NO2 calculada na verdade representa todo o NOX na amostra de exaustão(Tabela 3). A equação para conversão entre ppmV e μg/L depende da temperatura e pressão em que as amostras foram coletadas. A equação de conversão é:

Equation 2

Onde R = gás universal constante = 0,08206 atm· L/mol· K, P = pressão atmosférica em atm, T = temperatura em K e MW = peso molecular de NOx (como NO2) = 46,01 g/mol. Portanto

Equation 3

É importante inserir T em K e P no caixa eletrônico.

Amostra Absorvância
0.2 μg NO2-/mL padrão 0.22
0,4 μg NO2-/mL padrão 0.43
0,6 μg NO2-/mL padrão 0.60
0,8 μg NO2-/mL padrão 0.79
1.0 μg NO2-/mL padrão 1.05
Escapamento do carro diesel (após a inicialização) 1.03
Escapamento do carro diesel (depois de correr 10 min) 1.03
Escape do carro a gasolina (após a inicialização) 0.10
Escapamento do carro a gasolina (depois de correr 10 min) 0.04

Mesa 2. Tabela de dados com resultados representativos de absorção.

Figure 4
Figura 4. Uma parcela de curva padrão de Absorvência vs. Concentração de NO2-.

Veículo NOx Concentração (ppm)
Carro Diesel (após a inicialização) 500
Carro Diesel (depois de rodar 10 minutos) 500
Carro a gasolina (após a partida) 48
Carro a gasolina (depois de rodar 10 minutos) 21

Mesa 3. NOx concentração (ppm) por veículo.

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Applications and Summary

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A medição do nitrito usando a reação de Saltzman modificada é muito comum e útil em muitos campos diferentes. Como descrito, o método pode ser usado para medir as concentrações NOx em amostras de ar – escapamento de carro, salas de laboratório, qualidade do ar das cidades, etc. Além disso, este método pode ser usado para monitorar NOx na fumaça do cigarro. O procedimento seria muito semelhante a este experimento, exceto que em vez de atrair o escapamento do carro para a seringa, a fumaça do cigarro seria atraída. Muitas vezes há uma concentração maior de NOx na fumaça do cigarro do que sair do escapamento dos automóveis, o que tende a ser surpreendente para muitos. Os valores típicos para NOx em fumaça de cigarro variam de 500-800 ppm.

Este método também pode ser usado para testar os níveis de nitrato produzidos na presença de bactérias de nitrida. As bactérias nitrificação são encontradas no solo e na água e desempenham um papel importante no ciclo do nitrogênio – oxidante a amônia ao nitrito e, em seguida, nitrato. O nitrato na amostra é convertido pela primeira vez em nitrito pela enzima nitrato reductase. Em seguida, o nitrito é medido usando a reação modificada de Saltzman. Por fim, este método pode ser usado para determinar a concentração de nitratos e nitritos em produtos alimentícios. Nitritos e nitratos são adicionados aos alimentos principalmente para preservar carnes e produtos de carne. Um valor típico para nitrito em carnes curadas é de aproximadamente 125 μg/mL.

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