Produção de sulfato de amônio duplamente marcado com os isótopos estáveis 15N e 34S (página 2)

Todas as soluções foram preparadas com reagentes de qualidade química analítica e com água desionizada.

O (¹⁵NH₄)₂SO₄ com enriquecimento na faixa de 1 a 80% em átomos de ¹⁵N e o Na₂³⁴SO₄ enriquecido com 5 a 17% em átomos de ³⁴S, produzidos no próprio Laboratório de Isótopos Estáveis do CENA/USP^25,28,30, foram utilizados como fonte dos isótopos pesados ³⁴S e ¹⁵N, para a produção do sulfato de amônio duplamente marcado ((¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄). Com o objetivo de verificar possível fracionamento isotópico, no processo de troca iônica, utilizou-se de Na₂³⁴SO₄ enriquecido com 8,4% em átomos de ³⁴S e (¹⁵NH₄)₂SO₄ com 15,2% em átomos de ¹⁵N.

A linha de obtenção do (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ foi composta de uma coluna acrílica com 2,1 cm de diâmetro interno e 150 cm de altura, preenchida até 20 cm do topo com resina catiônica fortemente ácida, tipo poliestireno-divinilbenzeno Dowex 50W-X8 (grupo funcional sulfônico, malha 100-200 com diâmetro das pérolas de 74-149 µm, capacidade de troca de 1,7 mmol H⁺ mL^-1). O volume de resina na forma H⁺ equilibrada em água, totalizou 450 mL. A Figura 1 representa um esquema da coluna utilizada, bem como as equações envolvidas no processo.

O mesmo sistema de coluna foi utilizado para a obtenção de ácido sulfúrico enriquecido em ³⁴S (H₂³⁴SO₄) para posterior produção de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄, a partir da reação do H₂³⁴SO₄com ¹⁵NH_3(aq).

Antes do empacotamento na coluna, a resina foi lavada várias vezes com água desionizada, com a finalidade de retirar as impurezas e traços de resíduos orgânicos provenientes do processo de síntese. Posteriormente a resina foi acondicionada na coluna de acrílico e submetida ao choque eletrolítico, objetivando a ativação dos seus sítios ativos que foram saturados às formas NH₄⁺ (R-NH₄⁺) e H⁺ (R-H⁺), alternadamente, por 3 ciclos com solução 1,0 mol L^-1 de (NH₄)₂SO₄ e 1,0 mol L^-1 de H₂SO₄, respectivamente. Finalmente foi realizada a lavagem da resina, com a finalidade de eliminar o ácido sulfúrico contido em seu volume intersticial. O fluxo de soluções deu-se por gravidade, com os reservatórios localizados à 5 m de altura em relação à base da coluna.

No topo da coluna de resina catiônica, inicialmente na forma R-H⁺, foi admitido solução 0,5 mol L^-1 de (¹⁵NH₄)₂SO₄ visando a saturação dos sítios ativos da resina à forma R-¹⁵NH₄⁺, Eq. (1) da Figura 1. Após a carga com íons ¹⁵NH₄⁺ procedeu-se à lavagem da resina pela passagem de H₂O desionizada, para eliminação da solução de (¹⁵NH₄)₂SO₄ contida no volume intersticial, ficando a resina na forma R-¹⁵NH₄⁺ equilibrada em água, conforme Eq. (2), Figura 1. Nesta etapa, o volume do efluente foi coletado em alíquotas de 100 mL para determinação da concentração de ¹⁵NH₄⁺ em sistema de destilação por arraste a vapor.

Em seqüência, utilizando-se do método de cromatografia por deslocamento frontal, foi admitida uma solução eluente de Na₂³⁴SO₄ no topo da coluna de resina. Este procedimento teve a finalidade de eluir os íons ¹⁵NH₄⁺, ligados aos sítios ativos da resina, pelos íons trocadores Na⁺ (Na₂³⁴SO₄) ficando esta na forma R-Na⁺. Com esse procedimento obteve-se no volume eluído, solução de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄, conforme a Eq. (3) da Figura 1, que foi quantificada. A concentração de Na⁺ no eluído foi também determinada, por fotometria de chama, objetivando-se verificar o ponto de ruptura do elemento, dado pelo momento em que o íon Na⁺ é detectado no eluído, juntamente com o NH₄⁺³³.

Após a completa eluição dos íons amônio, encerrou-se o processo com a retirada do excesso de Na₂³⁴SO₄, contido no volume intersticial da resina, sendo o mesmo recuperado.

Foram avaliadas três concentrações diferentes para a solução eluente de Na₂³⁴SO₄ (30, 50 e 70 g L^-1) e os testes foram realizados em triplicata.

O H₂³⁴SO₄ foi obtido a partir do Na₂³⁴SO₄^28,29 empregando-se o mesmo sistema de coluna de resina catiônica descrito anteriormente.

Inicialmente, os sítios ativos da resina foram saturados à forma R-H⁺ pela admissão de solução 0,5 mol L^-1 de H₂SO₄ (abundância isotópica natural em ³⁴S – 4,22% em átomos de ³⁴S) no topo da coluna. A solução efluente da resina foi recolhida em alíquotas de 100 mL, determinando-se a concentração de H⁺ por titulometria, com o objetivo de se verificar o ponto final de carga. Depois de saturados os sítios ativos da resina (R-H⁺), eliminou-se o excesso de H₂SO₄ do volume intersticial da resina pela lavagem com H₂O desionizada. Em seguida, foi realizado o descompactamento das camadas de resina com água em processo de retrolavagem. Na etapa seguinte, os íons H⁺ foram eluídos com solução eluente de Na₂³⁴SO₄, sendo avaliadas (em triplicatas) as concentrações de 30, 50 e 70 g L^-1. A Figura 2 ilustra as etapas realizadas na produção de H₂³⁴SO₄.

Nos testes de produção de H₂³⁴SO₄, os íons H⁺ foram deslocados da resina para a fase solução e na presença do ânion sulfato ocorreu a produção do ácido. A quantificação da massa de H₂³⁴SO₄ no volume eluído (a cada 100 mL) foi realizada por titulometria (nas alíquotas dos volumes). Nas mesmas amostras determinou-se a concentração de Na⁺ (g L^-1 de Na) para se verificar quando ocorria a mistura entre o H₂³⁴SO₄ e o Na₂³⁴SO₄ no volume eluído, indicando a curva de ruptura do sódio.

Partindo-se de soluções de H₂³⁴SO₄ e (¹⁵NH₄)₂SO₄ e utilizando-se sistema de destilação (Figura 3), foi possível a obtenção do (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ de acordo com as reações (1) e (2).

Inicialmente pesou-se o sal de (¹⁵NH₄)₂SO₄ que foi dissolvido em água desionizada. A quantidade do sal (¹⁵NH₄)₂SO₄ foi utilizada em proporções estequiométricas em relação à massa de H₂³⁴SO₄. A solução resultante foi colocada no balão de reação do destilador onde ocorreu a reação (1) com a adição de 20 mL solução 15 mol L^-1 de NaOH (excesso). A ¹⁵NH_3(aq) produzida foi arrastada pelo vapor de água e recebida em solução de H₂³⁴SO₄, contida em um recipiente acrílico, sob agitação, sendo o volume de ácido calculado pela estequiometria das reações (1) e (2). Por medida de segurança utilizou-se um medidor de pH, para monitorar a acidez da solução resultante (reação 2), evitando-se, deste modo, possíveis perdas de ¹⁵NH₃. O final do processo foi identificado pela manutenção do pH na solução contendo (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄, indicando a neutralização total da amônia-¹⁵N. O ajuste final do pH na faixa de 5,5 a 6,0 foi realizado, quando necessário, pela adição de pequenas quantidades de ¹⁵NH_3aq ou H₂³⁴SO₄ diluído. Na última etapa a solução contendo o composto duplamente marcado ((¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄) foi transferida para o sistema de secagem à temperatura de 50 ºC, sendo o sal amoniacal cristalizado.

Numa etapa seguinte, como descrito anteriormente, foi realizada a lavagem para eliminação completa do (¹⁵NH₄)₂SO₄ remanescente no volume intersticial da resina, sendo necessário 300 mL de água desionizada, no qual pôde-se recuperar 14,3 ± 0,5 g de (¹⁵NH₄)₂SO₄ .

Na etapa seguinte utilizou-se de solução de Na₂³⁴SO₄ (30, 50 e 70 g L^-1) como eluente dos íons NH₄⁺. A troca entre os íons Na⁺(s) e NH₄⁺(r) possibilitou a formação do (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ no eluído.

A massa de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ no volume útil (levando-se em consideração a concentração de Na⁺) a partir da eluição do NH₄⁺ dos sítios ativos da resina, com solução de Na₂³⁴SO₄, nas concentrações (30, 50 e 70 g L^-1), pode ser visualizada na Tabela 1. São apresentados, também, o volume eluído recuperado, a massa de sódio no volume útil considerado, a massa de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ residual (não considerado no volume útil) e a porcentagem do resíduo em relação a massa total de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄.

As curvas de eluição do ¹⁵NH₄⁺, para as três concentrações de eluente, estão representadas na Figura 4, onde se verifica a variação da concentração de Na⁺ em função do volume eluído.

A resina catiônica apresenta maior seletividade para o Na⁺ em relação ao NH₄^+31,32, favorecendo o processo de troca envolvendo o deslocamento do íon NH₄⁺ pelo Na⁺ (íon trocador). Concluída a eluição, a concentração do íon NH₄⁺ foi inversamente proporcional à do íon Na⁺. A Figura 4 apresenta a eluição dos íons ¹⁵NH₄⁺ que é finalizada após a utilização de 2800, 2000 e 1600 mL da solução eluente de Na₂³⁴SO₄, para as concentrações de 30, 50 e 70 g L^-1, respectivamente.

O início da produção do composto (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄, para todas as concentrações avaliadas do eluente, foi constatada a partir do volume de 200 mL e a concentração máxima do sal no eluído foi atingida a partir de 300 mL. Após este volume notou-se que a produção se manteve praticamente constante, até atingir o ponto de inflexão de cada curva, quando ocorreu o ponto de ruptura do íon trocador Na⁺.

A curva de ruptura³³ foi caracterizada pelo início da detecção do trocador Na⁺ no eluído e indicou o momento de início da saturação dos sítios ativos da resina pelos íons Na⁺. Esta etapa ocorreu aos 1900, 1200 e 900 mL do eluído, respectivamente, para as concentrações de 30, 50 e 70 g L^-1. A partir desse ponto o eluído passou a conter o Na⁺ (Na₂³⁴SO₄), além do (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄. A determinação do ponto de ruptura é um indicativo da pureza do sal (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ produzido. Desta forma, tornou-se importante saber qual o nível de pureza necessário para o (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ ou até que nível de contaminação pode ser tolerado para o tipo de aplicação a que se destina. Nos resultados da Tabela 1 foram considerados os volumes eluentes que apresentaram quantidade de Na⁺ inferiores a 1% (m/v). Assim, para o teste com o eluente Na₂³⁴SO₄ 30 g L^-1, foram considerados os primeiros 2300 mL, como volume útil na produção do (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄. A partir dos 2300 mL (fração 2300 a 2400 mL) o teor de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ foi muito baixo e a concentração de Na⁺ no eluído (9,64 g L^-1 de Na⁺, equivalente a 29,75 g L^-1 Na₂³⁴SO₄) foi praticamente a mesma da solução eluente (30 g L^-1). O volume de eluente utilizado (2300 mL), para 450 mL de resina, representou um valor de 5,1 VL (volume leito), que pode se considerado uma boa relação para troca iônica.

Em relação à solução eluente 50 g L^-1 de Na₂³⁴SO₄, pode-se considerar que o volume de 1400 mL (3,1 VL) seria o ideal objetivando a produção de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ com baixa concentração de sódio (Figura 4). A partir desse ponto, a concentração de sódio no eluído atingiu valores médios de 9,50 g L^-1 de Na⁺, muito próximo ao obtido nos testes com solução 30 g L^-1 de Na₂³⁴SO₄. O volume utilizado para eluir praticamente todo ¹⁵NH₄⁺ contido em 450 mL de resina foi adequado, representando 3,1 de VL.

Para os testes com solução eluente 70 g L^-1 de Na₂³⁴SO₄, pôde-se verificar que aproximadamente 1100 mL (2,4 VL) foram utilizados na produção de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄, (Figura 4). Nessas condições verificou-se que a concentração média de Na⁺ foi de 13,7 g L^-1 (1,37 g/100 mL). A eluição com Na₂³⁴SO₄ 70 g L^-1 foi excepcionalmente boa, considerando-se que praticamente todo ¹⁵NH₄⁺ foi eluído com 1100 mL em 450 mL de resina, que representou um ótimo valor de volume leito (2,4 VL). Os 100 mL finais, referentes ao intervalo de 1000 a 1100 mL com concentração de Na⁺ de aproximadamente 0,9% (m/v), superior à encontrada nos testes anteriores (30 e 50 g L^-1), foi considerada em razão da expressiva massa de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ contida neste volume (aproximadamente 4,55 g).

Nos testes com as três diferentes concentrações da solução eluente, pôde-se verificar que a massa de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ residual recuperada, não considerada no processo de produção, foi de 1,3; 2,9 e 2,8 g, respectivamente, para as concentrações de 30, 50 e 70 g L^-1 de Na₂³⁴SO₄ (Tabela 1).

A produção média de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ foi de 55 ± 1 g; 54,1 ± 0,6 g e 55,2 ± 0,3 g nos testes utilizando Na³⁴SO₄ com concentração de 30, 50 e 70 g L^-1, respectivamente (Tabela 1). Esses valores mostram que a produção de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄, por troca iônica, não se mostrou dependente da concentração do eluente (Na₂³⁴SO₄). No entanto, o volume útil (concentração de Na⁺ inferior a 1% m/v) de solução de Na₂³⁴SO₄, necessário para eluir os íons NH₄⁺ dos sítios ativos da resina catiônica, foi em média de 2300, 1400 e 1100 mL, respectivamente, para as concentrações de 30, 50 e 70 g L^-1 de Na₂³⁴SO₄. Desta forma, considerando o volume útil, pôde-se determinar que a massa de Na₂³⁴SO₄ necessária para a eluição dos íons NH₄⁺ da resina catiônica foi de 69, 70 e 77 g, respectivamente, para as soluções de 30, 50 e 70 g L^-1 de Na₂³⁴SO₄.

Deve-se destacar que a completa eluição dos íons NH₄⁺ retidos nos sítios ativos da resina, demandou 2700, 2000 e 1600 mL para as concentrações de 30, 50 e 70 g L^-1 de Na₂³⁴SO₄, respectivamente. A massa de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ residual, contida no volume final da eluição (400, 600 e 500 mL com relação às concentrações de 30, 50 e 70 g L^-1 de Na₂³⁴SO₄, respectivamente), foi quantitativamente recuperada em sistema de destilação (Figura 3).

Considerando um fluxo de 5 a 6 mL min^-1, pôde-se determinar que o tempo de duração do processo completo para os testes com concentração de 30 g L^-1 foi de aproximadamente 8 h, gastando-se 4 h a mais que no processo em que se utilizou a concentração de 50 g L^-1 (4 h). Com os dados da Tabela 1, pode-se observar que a produção de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ é praticamente a mesma, para as três concentrações de eluente avaliadas, e o consumo de Na₂³⁴SO₄ foi inferior quando se utilizou o eluente com concentração de 30 e 50 g L^-1 (69 e 70 g). Desta forma, levando-se em consideração o tempo de produção, a solução eluente com concentração de 50 g L^-1 de Na₂³⁴SO₄ foi a mais indicada.

A última etapa do processo de produção de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ consistiu na lavagem do Na₂³⁴SO₄, do volume intersticial da coluna de resina, com água desionizada, recuperando-se o composto, principalmente, quando da utilização de ³⁴S. Nessa etapa foram necessários de 400 a 500 mL de H₂O desionizada, sendo possível a recuperação de 2,4 ± 0,1; 3,5 ± 0,1 e 4,8 ± 0,1 g de Na₂³⁴SO₄ quando se utilizou a solução eluente com concentrações de 30, 50 e 70 g L^-1, respectivamente.

Em teste empregando os reagentes Na₂³⁴SO₄ e (¹⁵NH₄)₂SO₄ , previamente enriquecidos nos isótopos ³⁴S e ¹⁵N (8,40 e 15,2% em átomos de ³⁴S e ¹⁵N, respectivamente), foi possível a obtenção de aproximadamente 54,5 g de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ com marcação de 8,39 e 15,2% em átomos de ³⁴S e ¹⁵N. Estes resultados mostraram que não ocorre fracionamento isotópico durante o processo de troca iônica na produção de sulfato de amônio duplamente marcado, pois o produto final apresentou a mesma abundância isotópica (³⁴S e ¹⁵N) dos reagentes iniciais.

Os sítios ativos da resina catiônica Dowex 50w X8 foram saturados com H⁺, com aproximadamente 3000 mL de solução 0,5 mol L^-1 de H₂SO₄. O excesso de H₂SO₄ do volume intersticial foi lavado com 3000 mL de água desionizada. Após a descompactação da resina (retrolavagem com H₂O desionizada), pôde-se determinar que o volume da resina na forma H⁺(R-H⁺) e equilibrada em água foi de aproximadamente 450 mL.

Na etapa seguinte os íons H⁺, adsorvidos nos sítios ativos da resina, foram eluídos com soluções 30, 50 e 70 g L^-1 de Na₂³⁴SO₄ (eluente), produzindo H₂³⁴SO₄ no eluído. Os testes foram realizados em triplicata para cada uma das concentrações do eluente. As três concentrações de eluente, o volume e a massa de eluente utilizado, a massa de H₂³⁴SO₄ obtida, a massa de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ produzida e a % de H₂³⁴SO₄ e Na₂³⁴SO₄ obtidas a partir da massa de eluente empregado (volume útil) constam da Tabela 2.

O volume e a massa do eluente corresponderam ao montante com baixa concentração de Na (< 1% m/v) no eluído e é denominado de volume útil. Para a concentração de 30 g L^-1 de Na₂³⁴SO₄ este volume foi em média de 2275 mL, de um total eluído de 2500 mL. Nos 225 mL finais tem-se aproximadamente 0,15 g de H₂³⁴SO₄, correspondendo a apenas 0,3% do total eluído. Entretanto, nesse volume final a concentração de Na⁺ foi da ordem de 11,0 g L^-1, enquanto que no volume útil ficou em aproximadamente 0,5 g L^-1 de Na (0,05%). Nos experimentos com concentração do eluente de 50 e 70 g L^-1 de Na₂³⁴SO₄, o volume útil foi de 1475 e 1100 mL, respectivamente. A produção de H₂³⁴SO₄, para as três concentrações do eluente foi muito semelhante, sendo da ordem de 42 a 43 g do ácido (Tabela 2).

Nos ensaios empregando solução eluente 50 g L^-1 de Na₂³⁴SO₄, verificou-se uma excelente eluição (VL de 3,3) com produção média de 43,04 ± 0,01 g de H₂³⁴SO₄ (solução 0,3 mol L^-1 de H₂³⁴SO₄) e com concentração, no volume útil, de 0,4 g L^-1 de Na. Nessas condições observou-se um maior percentual (86,00 ± 0,03%) de conversão do sal Na₂³⁴SO₄ (eluente) para o ácido (H₂³⁴SO₄) (Tabela 2). Considerando o volume útil de 1475 mL para o eluente (73,8 g) e fluxo de 6 ml min^-1 (1,7 mL cm^-2 min^-1), o tempo consumido nesta etapa foi da ordem de 4 h. Pôde-se verificar, ainda, que o processo foi muito eficiente não apresentando perdas, principalmente quando se utilizou material enriquecido nos isótopos ¹⁵N e ³⁴S.

Com o sistema proposto e utilizando-se de 74 g de Na₂³⁴SO₄ enriquecido com 9,8% em átomos de ³⁴S foi possível obter 43,1 g de H₂³⁴SO₄ (1475 mL) com a mesma abundância isotópica do eluente (9,8% átomos de ³⁴S).

Partindo-se de 58,1 g de (¹⁵NH₄)₂SO₄ (0,44 mols) enriquecido em 10% em átomos de ¹⁵N (como obtido no laboratório de Isótopos Estáveis do CENA^32,33) e de 43,1 g de H₂³⁴SO₄ (0,44 mols) com enriquecimento isotópico de 9,8% átomos de ³⁴S, obtida no presente trabalho e, utilizando-se do sistema de destilação apresentado na Figura 3, foi possível a obtenção de sulfato de amônio duplamente marcado ((¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄). As reações estequiométricas para a produção do composto (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ estão representadas nas Equações (1) e (2).

O sal de (¹⁵NH₄)₂SO₄ foi solubilizado em 300 mL de água (58,1 g do composto enriquecido a 10% em átomos de ¹⁵N) e a solução foi colocada em balão de reação do destilador (Figura 3), onde ocorreu a reação entre o (¹⁵NH₄)₂SO₄ e NaOH (reação 1).

O procedimento foi realizado em aproximadamente 45 min e utilizou-se de 43,1 g de H₂³⁴SO₄ contido em 1500 mL de solução (0,3 mol L^-1) para neutralização da ¹⁵NH_3(aq). A solução final apresentou pH de 5,8 e volume de 1900 mL. Após secagem do sal, em chapa aquecedora a 50 ºC obteve-se 58,0 g de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ enriquecido a 10,0 e 9,8% em átomos de ¹⁵N e ³⁴S, respectivamente.

Para a produção de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ em sistema de cromatografia de troca catiônica, a utilização de solução de Na₂³⁴SO₄ (50 g L^-1) foi adequada. Partindo-se de 70 g de Na₂³⁴SO₄ e 64,2 g de (¹⁵NH₄)₂SO₄ foi possível obter 54,1 g de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄. A metodologia empregada mostrou-se viável e o composto com dupla marcação poderá ser obtido, com alto grau de pureza e com níveis de enriquecimento em ¹⁵N e ³⁴S dependentes das concentrações desses isótopos nos compostos (¹⁵NH₄)₂SO₄ e Na₂³⁴SO₄.

A obtenção do (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ a partir da reação de neutralização entre o H₂³⁴SO₄ e ¹⁵NH_3aq foi também eficiente. Neste processo foi possível produzir 58,0 g do composto duplamente marcado (¹⁵N e ³⁴S) a partir de 43,1 g de H₂³⁴SO₄ (obtido por troca iônica com 74,0 g de Na₂³⁴SO₄) e de 58,1 g de (¹⁵NH₄)₂SO₄ .

Nos dois processos foi possível obter 0,78 g de (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ para cada grama do eluente Na₂³⁴SO₄.

O processo mostrou-se operacional e economicamente viável, sendo possível obter (¹⁵NH₄)₂³⁴SO₄ enriquecido a 10% em átomos de ¹⁵N e do ³⁴S ao custo de US$ 30.00 por grama.

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