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Extração sólido-líquido

Overview

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.

Principles

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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.

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Procedure

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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.

A extração é uma técnica de separação crucial em química orgânica, usada para separar componentes de uma mistura baseada em suas solubilidades em duas fases diferentes que não se misturam.

As extrações são realizadas entre duas fases. No caso de uma extração líquido-líquido, o soluto dissolvido é transferido de uma fase líquida para outra. As extrações também são realizadas com uma fase líquida e sólida, chamada extração de líquido sólido, onde o soluto é transferido de uma fase sólida para uma fase líquida. Um exemplo simples de extração de líquido sólido é a fabricação de café, que envolve a mistura de borras de café sólido com água. Os compostos de sabor de café são extraídos do solo para a água para formar café. Este vídeo ilustrará os princípios da extração e demonstrará extração de líquido sólido em laboratório através da remoção de resíduos de organoclorito do solo.

A extração usa a propriedade da solubilidade para transferir um soluto de uma fase para outra. Para realizar uma extração, o soluto deve ter uma solubilidade maior na segunda fase do que no original. Em geral, solutos muito não polares serão divididos em uma fase orgânica, enquanto solutos muito polares serão divididos em uma fase aquosa. A escolha das fases dependerá do soluto de interesse.

As duas fases também devem ser imiscíveis. Soluções imiscíveis nunca se misturam e permanecem como fases separadas, como óleo e água. As soluções miscible são completamente homogêneas após a mistura.

Na extração líquido-líquido, um soluto é separado entre duas fases líquidas, tipicamente aquosas e orgânicas. Isso é frequentemente realizado em um funil separador equipado com uma torneira na parte inferior e rolha no topo.

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. Ao misturar, o soluto é transferido do líquido transportador para o solvente, desde que o soluço seja mais solúvel no solvente do que no líquido transportador, e desde que o líquido portador e solvente sejam imiscíveis. A solução mais densa se instala até o fundo.

Há duas fases resultantes: o raffinate, contendo o líquido transportador, e o extrato, que contém o soluto e o solvente. Na realidade, é provável que haja resíduos de cada componente em ambas as fases. 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. Agora que os princípios da extração foram delineados, a técnica de extração de líquido sólido será demonstrada realizando a extração em laboratório.

Neste experimento, amostras de solo foram coletadas de um local de campo marrom, semelhante ao deste em Sewickley, Pensilvânia. Os campos marrons, como definido pela EPA dos EUA, são propriedade real, onde a expansão, o redesenvolvimento ou o reaproveitamento podem ser complicados devido à presença potencial de contaminantes perigosos. O poluente de interesse neste caso é um organocloide: o herbicida atrazina. Uma vez coletada uma amostra de solo do local de interesse, transfira-a para o laboratório.

Pese 10 g do solo em um prato Pyrex limpo, seco e de boca larga. Coloque o prato em um forno para secar por pelo menos 12 h. Uma vez seco, triture o solo em pó uniforme com argamassa e pilão. Coloque 5 g do solo em um frasco limpo e seco de fundo redondo de 100 mL. Adicione 15 mL de hexano e rolha o frasco. Coloque-o em um banho ultrassônico e sonicato por 60 minutos.

Prepare um funil Büchner com papel filtro analítico. Uma vez que a sônica esteja completa, molhe o papel com hexano e comece a filtrar o vácuo. Despeje lentamente a amostra sobre o papel do filtro. Enxágüe os sólidos residuais do frasco com hexano e adicione-os ao filtro. O solo despojado permanece no filtro, enquanto o hexano e os orgânicos extraídos se acumulam no frasco.

Se a solução de hexano estiver turva, a água residual está presente. Para secar a solução, adicione uma pequena espátula de dessecante, como o cloreto de cálcio. Mexa a solução até que o dessecante seja dissolvido e observe a solução.

Se a solução ainda estiver turva ou se o cloreto de cálcio tiver agregado, ainda há água na solução. Repita o processo até que a solução esteja clara e o dessecante esteja fluindo livremente.

Em seguida, remova o cloreto de cálcio por filtragem gravitacional.

Se a concentração do composto de juros estiver abaixo do limite de quantificação, deve ser concentrada. Transfira o extrato filtrado para um frasco de fundo redondo limpo e seco de 3 pescoços. Roer o pescoço central, e colocar um septo de borracha sobre um dos outros pescoços. O terceiro está aberto.

Fure o septo e anexe a tubulação a uma linha de nitrogênio. Comece a fluir nitrogênio através do frasco. O gás deve fluir no headspace acima da solução, e não borbulhando através dele. O gás que flui evapora o excesso de solvente. Deixe o gás fluir até que haja cerca de 50% de redução de volume.

Uma vez que os componentes orgânicos do solo são extraídos e concentrados, eles podem ser analisados por cromatografia gasosa.

A concentração de atrazina pode ser calculada utilizando concentrações padrão de atrazina. Neste caso, a concentração aproximada de atrazina no local do campo marrom estudado foi de 2 mg de atrazina por 1 kg de solo.

A extração de líquido sólido é usada em uma ampla gama de campos.

Esta técnica pode ser usada para entender a transferência de bifenilos policlorados, ou PCBs, de peixes. PcBs são hidrocarbonetos clorados feitos pelo homem que foram banidos pela EPA. PcBs não se decompõem prontamente no ambiente e tendem a se acumular em peixes.

Neste experimento, os peixes-presas contendo PCBs foram alimentados com peixes predadores. Os peixes predadores foram então coletados e sacrificados. O tecido do peixe foi moído em preparação para a extração.

O PCB no tecido do peixe foi extraído para uma fase orgânica usando um extrator Soxhlet. A configuração do extrator soxhlet, composta por um frasco de fundo redondo, condensador e o aparelho Soxhlet, é frequentemente usada para extrair solutos que são mal solúveis em solventes. A extração soxhlet permite que uma pequena quantidade de solvente seja usada com uma grande amostra sólida. O extrato foi então testado para conteúdo pcb usando espectrometria de massa.

A matéria vegetal seca, chamada lignocelulose, é a matéria-prima mais abundante a ser pesquisada para combustíveis bio-derivados. No entanto, os carboidratos usados como combustível estão presos dentro da rígida matriz vegetal, chamada lignina.

Quando os carboidratos são removidos, a matriz de lignina é tipicamente descartada como lixo. No entanto, neste experimento, a lignina de resíduos foi examinada como fonte de combustível. A extração de líquido-sólido foi utilizada para separar os componentes de carboidratos da lignocelulose, deixando a lignina para trás. A lignina foi então usada para outros experimentos de fermentação.

A extração de líquido sólido também pode ser usada para medir o teor de cera em peles de frutas. Neste experimento, analisou-se o teor de cera das peles de tomate.

A depilação exaustiva de peles de tomate seco foi concluída utilizando um aparelho Sohxlet, a fim de remover totalmente o teor de cera nas peles. As peles de tomate com cera removida foram então analisadas usando espectroscopia de ressonância magnética nuclear. Isso ajudou a elucidar a composição e degradação de frutas nativas e projetadas.

Você acabou de assistir a introdução do JoVE à extração de líquido sólido. Você deve agora ter uma melhor compreensão da extração de solutos entre fases sólidas e líquidas.

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Results

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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.

Figure 1
Figura 1. Brownfield em Sewickley, PA.

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

Figure 3
Figura 3. Estrutura química do organocloroide atrazina.

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

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Applications and Summary

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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.

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Disclosures

Nenhum conflito de interesses declarado.

References

  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).

Transcript

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