Produção de amônia anidra e aquamônia enriquecida em 15N a partir de (15NH4)2SO4

No Brasil, a aquamônia vem sendo utilizada como fertilizante nitrogenado, especialmente na cultura de cana de açúcar. Entre os fatores que influenciam a produtividade das culturas agrícolas, está a eficiência de utilização de fertilizantes nitrogenados (EUF), sendo a técnica isotópica com ¹⁵N empregada em investigações dessa natureza. Este trabalho procurou estabelecer métodos de produção de amônia anidra (¹⁵NH₃) e aquosa (¹⁵NH₃aq), enriquecidas em ¹⁵N, em um único sistema, a partir do sulfato de amônio previamente enriquecido no mesmo isótopo. O processo de produção de ¹⁵NH₃ e ¹⁵NH₃aq foi avaliado em função dos fatores: temperatura (60, 70 e 75^oC) e tempo de reação (90, 120, 150, 165, 210 e 255 minutos), fluxo de gás de arraste (140; 180 e 220 mL min^-1 de N₂) e massa de sulfato de amônio utilizada na reação (40; 72,6; 106; 132 e 200 g). As melhores condições com relação à produção de ¹⁵NH₃ e ¹⁵NH₃aq foram proporcionadas pela temperatura de 70^oC, fluxo de gás de arraste de 180 mL min^-1 de N₂ e tempo de reação de 210 minutos. O teor de N na ¹⁵NH₃aq variou de 15 a 20% (m/m) e o sistema apresentou capacidade de produção de aproximadamente 280 mL de ¹⁵NH₃aq com concentração de 15% (m/m) por batelada. O processo global apresentou rendimento na faixa de 91 a 99%, em função da massa de (¹⁵NH₄)₂SO₄ utilizada, sendo as perdas de ¹⁵N desprezíveis.

Palavras-chave: amônia-¹⁵N, nitrogênio-15, isótopo estável

Production Of Anhydrous Ammonia And Aqua Ammonia Enriched In ^15N From (¹⁵NH₄)₂SO₄

In Brazil aqua ammonia is an important fertilizer for soil fertilization of the sugarcane crop. The efficiency of the use of nitrogen fertilizers (EUF) by crops is a factor that has influence on agricultural productivity. The isotope technique of ¹⁵N labeled fertilizer is used for EUF determinations. In this paper the methods for production, in a same system, of anhydrous ammonia (¹⁵NH₃) and aqua ammonia (¹⁵NH₃aq), both enriched in the heavy stable isotope of nitrogen, using ammonium sulfate (AS) labeled with ¹⁵N [(¹⁵NH₄)₂SO₄ ] as raw material, are presented. The parameters evaluated in the processes were: temperature (60, 70 e 75°C); reaction time (90, 120, 150, 165, 210 e 255 minutes), flow of N₂ carrier gas (140, 180 e 220 mL min^-1) and mass of AS (40, 72.6, 106, 132 e 200 g). The best conditions related to the production of the ¹⁵NH₃ e ¹⁵NH₃aq, were obtained at a temperature of 70°C, flow of N₂ carrier gas of 180 mL min^-1 and a reaction time of 210 minutes. The N concentration of the ¹⁵NH₃aq was between 15-20% (w/w), with the ¹⁵NH₃aq production of 280 mL with concentrations around 15% (w/w) for each batch. The overall yield of the process ranged from 91 to 99% and was directly related to the mass of AS. The unrecovered ¹⁵NH₃ was very low. Key words: ammonia-¹⁵N, nitrogen-¹⁵N, stable isotope

A aquamônia ou amônia aquosa contendo de 15-20% de N (m/m), produzida por hidratação da amônia anidra, vem sendo usada no Brasil como fertilizante nitrogenado de solo em áreas cultivadas com cana-de-açúcar, podendo vir a ser empregada na adubação de outras culturas. Sua produção e utilização em formulação única (20-0-0), ou em suspensões contendo P e K, teve início no princípio dos anos 80s.

Devido à importância econômica da agroindústria sucroalcooleira e à extensão da área plantada com cana-de-açúcar no país, tem havido interesse pela investigação de fatores que permitam alcançar a máxima eficiência de utilização de fertilizantes nitrogenados pela cultura em diferentes condições, aliando-se produtividade à redução nas perdas de nitrogênio do solo por volatilização de amônia, lixiviação de nitrato ou desnitrificação. A técnica isotópica com ¹⁵N vem sendo utilizada em investigações dessa natureza, por permitir a quantificação da utilização pelas plantas cultivadas do nitrogênio proveniente de adubos aplicados ao solo, assim como o estudo das transformações do nutriente no sistema solo-planta.

A técnica isotópica que emprega o ¹⁵N como traçador consiste, basicamente, em fornecer ao organismo em estudo um composto químico no qual a razão isotópica (¹⁵N/¹⁴N) do composto considerado é diferente da natural e, em seguida, avaliar a distribuição do isótopo no sistema em estudo. Em muitos trabalhos de pesquisa, envolvendo a técnica isotópica com ¹⁵N, nas áreas agronômica e biomédica, existe a necessidade de utilização de compostos nitrogenados altamente enriquecidos no isótopo, devido à diluição isotópica dos sistemas em estudo (Knowles & Blackburn, 1993).

Os compostos nitrogenados: sulfato de amônio ((¹⁵NH₄)₂SO₄ ); ácido nítrico (H¹⁵NO₃); uréia ((¹⁵NH₂)₂CO); amonia anidra (¹⁵NH₃) e aquamônia (¹⁵NH₃aq), entre outros, com elevado enriquecimento no isótopo ¹⁵N até recentemente não eram produzidos no Brasil e na América do Sul, devido a dificuldades de ordem metodológica. Para a realização de pesquisas com esses compostos, existia a necessidade de importação dos Estados Unidos da América, da Europa ou da Ásia. Trivelin et al. (1976) destacaram o alto custo do composto marcado no isótopo ¹⁵N, como um fator limitante para o seu uso em maior escala. Embora o ¹⁵N seja considerado importante como traçador em estudos bioquímicos e agronômicos, já sendo utilizado há seis décadas, é correto afirmar que, também nos dias de hoje, a utilização de compostos enriquecidos em ¹⁵N (principalmente aqueles com elevada marcação) em pesquisas aplicadas é limitada em função do alto preço.

A tecnologia de separação e de produção de compostos enriquecidos em ¹⁵N não é repassada pelos países que as detém, devido a fatores econômicos e, em alguns casos, por motivos estratégicos. Neste sentido, alguns trabalhos foram desenvolvidos no Brasil, objetivando a produção de compostos enriquecidos em ¹⁵N, com destaque para a obtenção de sulfato de amônio com elevado enriquecimento no isótopo ¹⁵N (Maximo et al., 2000). A amônia é a base da industria química para produção de dezenas de fertilizantes nitrogenados, inclusive a aquamônia, que apresenta inúmeras aplicações agronômicas.

Em vista do apresentado, a aquamônia marcada com o isótopo estável ¹⁵N vem sendo solicitada por pesquisadores para uso em investigações agronômicas. Nesse sentido, Lara Cabezas et al. (1987) fizeram uso diretamente no campo da aquamônia e de uréia marcadas com ¹⁵N para quantificar a volatilização de amônia do solo derivada das fontes fluida e sólida. Camargo (1989) verificou que a lixiviação do ¹⁵N-aquamônia foi inferior à da ¹⁵N-uréia a 1 m de profundidade em solo arenoso cultivado com cana-de-açúcar, enquanto que após 12 meses, o efeito residual (¹⁵N) no solo da fonte fluida foi significativamente maior que o da uréia. Trivelin et al. (1995, 1996) utilizaram a técnica isotópica com ¹⁵N para avaliar e comparar a utilização por soqueiras de cana-de-açúcar (Saccharum afficinarum L.) do nitrogênio da aquamônia e da uréia, nas condições de final e de início de safra.

Desta forma, considerando a importância de disponibilizar aos pesquisadores do país, outros compostos nitrogenados marcados com ¹⁵N, a preços reduzidos, o presente trabalho visou estabelecer métodos para produção de amônia anidra e de aquamônia a partir do sulfato de amônio previamente enriquecido no isótopo.