Desenvolvimento e validação de metodologia de análise de misturas biodiesel: diesel utilizando cromatografia gasosa-espectrometria de massas

Development and validation of a methodology FOR analysis of biodiesel: diesel blends using gas chromatography-mass spectrometry

Resumo

The aim of this work was to develop and validate a method of analysis of biodiesel:diesel blends using HRGC-MS in SIM mode. The proposed method is applicable to biodiesel from linoleic oils, such as soybean oil. The following results were obtained: linearity over the methyl linoleate concentration range of 250-2500 mg L-1 (R² > 0.999); limits of detection and quantification of 2 and 5 mg L-1, respectively; recovery from 82 to 96% of biodiesel in diesel and repeatability < 2% (RSD). Comparison between two operators showed that it is not necessary the same operator to do the analysis.

biodiesel; diesel; HRGC-MS-SIM

biodiesel; diesel; HRGC-MS-SIM

ARTIGO

Desenvolvimento e validação de metodologia de análise de misturas biodiesel:diesel utilizando cromatografia gasosa-espectrometria de massas

Development and validation of a methodology FOR analysis of biodiesel: diesel blends using gas chromatography-mass spectrometry

Rita C. M. Faria; Michelle J. C. Rezende^*; Claudia M. Rezende; Angelo C. Pinto

Instituto de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Centro de Tecnologia, Bloco A, Ilha do Fundão, 21949-900 Rio de Janeiro – RJ, Brasil

ABSTRACT

The aim of this work was to develop and validate a method of analysis of biodiesel:diesel blends using HRGC-MS in SIM mode. The proposed method is applicable to biodiesel from linoleic oils, such as soybean oil. The following results were obtained: linearity over the methyl linoleate concentration range of 250-2500 mg L^-1 (R² > 0.999); limits of detection and quantification of 2 and 5 mg L^-1, respectively; recovery from 82 to 96% of biodiesel in diesel and repeatability < 2% (RSD). Comparison between two operators showed that it is not necessary the same operator to do the analysis.

Keywords: biodiesel; diesel; HRGC-MS-SIM.

INTRODUÇÃO

A maior parte de toda energia consumida no mundo provém do petróleo, carvão e gás natural. Essas fontes são limitadas e com previsão de esgotamento no futuro. A busca por fontes alternativas de energia torna-se, assim, de suma importância.

A utilização de biodiesel como combustível vem apresentando potencial promissor no mundo inteiro. Em primeiro lugar, pela sua enorme contribuição ao meio ambiente, com a redução qualitativa e quantitativa dos níveis de poluição ambiental. Em segundo lugar, como fonte estratégica de energia renovável em substituição ao óleo diesel. No cenário brasileiro, o seu uso pode também reduzir a dependência de importação deste combustível.

O óleo diesel é o principal produto do fracionamento do petróleo no Brasil. Esse combustível é constituído por hidrocarbonetos parafínicos, olefínicos e aromáticos com cadeia carbônica de 6 a 30 átomos. Alguns compostos apresentam também enxofre, oxigênio e nitrogênio. Já o biodiesel é constituído por ésteres alquílicos obtidos, principalmente, a partir da transesterificação de óleos vegetais ou gordura animal. A reação é conduzida na presença de metanol ou etanol e de um catalisador adequado. Este biocombustível também pode ser produzido a partir da esterificação direta de ácidos graxos livres. Entretanto, este processo é raramente utilizado uma vez que as fontes de triglicerídeos são mais disponíveis do que de ácidos graxos¹. O biodiesel possui algumas vantagens sobre o diesel, tais como alto número de cetano; alto ponto de fulgor; menor emissão de material particulado, monóxido de carbono e dióxido de carbono; biodegradabilidade; além de ser isento de enxofre e de compostos aromáticos^2,3.

Em 2004, foi lançado no Brasil o Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel. A lei nº 11.097, de 13 de janeiro de 2005, dispõe sobre a introdução do biodiesel na matriz energética brasileira. A lei determina a adição mínima obrigatória de 5% de biodiesel ao óleo diesel a partir de janeiro de 2013, e estabelece a utilização de um percentual mínimo obrigatório intermediário de 2% a partir de janeiro de 2008. A Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP), órgão regulador, aponta para a necessidade de se avaliar a qualidade desta mistura a partir da realização de análises laboratoriais e emissão de Boletim de Conformidade. O desenvolvimento de metodologias para análise de misturas biodiesel:diesel passa a ser um recurso estratégico no controle de qualidade do combustível a ser disponibilizado nos postos de abastecimento.

Dentre as ferramentas analíticas disponíveis para identificação e quantificação de compostos em misturas, pode-se destacar a Cromatografia Gasosa de Alta Resolução acoplada à Espectrometria de Massas (CGAR-EM), a Espectroscopia na Região do Infra-Vermelho (IV) e do Ultra-Violeta (UV) e a Ressonância Magnética Nuclear (RMN). Em agosto de 2006 foi realizada uma consulta à base de dados "Sci Finder" a fim de verificar a existência de trabalhos voltados para a aplicação destas técnicas na análise de misturas biodiesel:diesel. O acesso forneceu aproximadamente 1830 referências utilizando biodiesel como tópico de pesquisa. Em seguida, a ferramenta de refino foi aplicada neste conjunto de referências utilizando, separadamente, "chromatography", "infrared", "nmr" e "ultra violet" como palavras-chave. O resultado da pesquisa selecionou 69, 26, 18 e 15 referências para cada palavra-chave, respectivamente. A partir da leitura cuidadosa deste conjunto de referências pôde-se constatar que somente 4 publicações tinham como objetivo analisar misturas biodiesel-diesel. Um artigo utilizou a cromatografia líquida com detetor UV⁴, dois trabalhos empregaram a técnica de IV^5-6 e o último comparou a técnica de IV com RMN⁷. Com relação às demais publicações, nenhuma teve como objetivo central a análise de biodiesel em diesel, a grande maioria utilizava estas técnicas para o acompanhamento da produção de biodiesel.

O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento e a validação de uma metodologia de análise de misturas biodiesel:diesel empregando CGAR-EM no modo de análise por monitoramento seletivo de íons (MSI). Além do controle de qualidade do combustível, esta metodologia pode ser empregada no estudo de estabilidade da mistura e das condições adequadas de estocagem.

PARTE EXPERIMENTAL

Materiais e reagentes

Linoleato de metila e 1-pentadecanol foram provenientes da Aldrich (> 99%, EUA). Cloreto de propanoíla e sílica (70-230 mesh) foram adquiridos da Merck (EUA). Carbonato de potássio, sulfato de sódio e os solventes (hexano, acetato de etila, diclorometano e metanol) foram adquiridos da Vetec (Brasil). O diesel foi comprado em posto de abastecimento de combustível e o óleo de soja foi comprado em estabelecimento comercial.

Síntese e purificação do padrão interno

O propanoato de n-pentadecanoíla foi o composto selecionado para uso como padrão interno (PI) na quantificação das misturas biodiesel:diesel por CGAR-EM-MSI. A síntese do éster foi realizada a partir da esterificação de cloreto de propanoíla com 1-pentadecanol em diclorometano. A mistura foi mantida em agitação constante a temperatura ambiente por 90 min. O solvente foi evaporado sob pressão reduzida e o produto foi purificado em coluna de sílica usando hexano como eluente. A pureza do padrão interno (> 99%) foi determinada por cromatografia gasosa de alta resolução com detector de ionização por chama (CGAR-DIC).

Preparo da curva de calibração

Foram construídas duas curvas de calibração para o linoleato de metila, sendo cada uma realizada por um analista diferente (Analista A e Analista B). Cada curva foi constituída por seis pontos e cada ponto foi realizado em triplicata. As amostras padrão foram preparadas a partir de um volume conhecido (25, 50, 75, 100, 150 e 250 µL) da solução estoque de linoleato de metila 5000 mg L^-1, 50 mL de diesel e 100 mL da solução estoque de padrão interno 2000 mg L^-1. O volume final foi completado até 500 µL com acetato de etila. As amostras padrão apresentaram concentração de 250, 500, 750, 1000, 1500 e 2500 mg L^-1 de linoleato de metila, respectivamente, e 400 mg L^-1 do padrão interno.

Instrumentação e condições cromatográficas

As análises por CGAR-EM foram realizadas em cromatógrafo Agilent modelo 6890 acoplado a um detetor de espectrometria de massas Agilent modelo 5973 com ionização por impacto de elétrons a 70 eV e analisador do tipo quadrupolo. A coluna capilar utilizada foi DB-1 HT (J&W) 15 m x 0,25 mm x 0,10 µm de espessura de fase. O gás de arraste utilizado foi hélio (1,7 mL min^-1) e a pressão na cabeça da coluna foi de 8 psi. O volume de injeção da amostra foi 1,0 mL com divisão de fluxo de 1:20. A temperatura inicial do forno foi de 80 ºC seguida por três rampas de aquecimento: a primeira taxa de aquecimento foi de 10 ºC min^-1 até 150 ºC; a segunda, de 5 ºC min^-1 até 200 ºC e a última, de 15 ºC min^-1 até 300 ºC permanecendo nesta temperatura por 5 min. O tempo total de corrida foi 28,70 min. O injetor foi operado a 290 ºC e a interface a 300 ºC. As medidas quantitativas foram realizadas no modo MSI. Os íons monitorados e os tempos de retenção dos compostos estão apresentados na Tabela 1. O modo SCAN, na faixa de massa de 40 a 500 Daltons, foi utilizado para confirmação dos espectros de massas.

Avaliação de interferentes

Para verificar possíveis interferentes no método proposto, a matriz diesel foi diluída em acetato de etila na razão 1:10 e, em seguida, analisada por CGAR-EM no modo MSI. Foram monitorados os íons de m/z 182, 210 e 255, referentes ao propanoato de n-pentadecanoíla, e de m/z 220, 262 e 263, referentes ao linoleato de metila.

Preparo das misturas biodiesel:diesel para o estudo de recuperação

O biodiesel foi preparado a partir da reação de transesterificação do óleo de soja com metanol na razão molar óleo:álcool 1:9 e utilizando 0,5% (m/m) de carbonato de potássio como catalisador. A mistura foi mantida sob refluxo e agitação constante por 3 h. Os ésteres metílicos foram isolados após neutralização do meio reacional com ácido clorídrico diluído, seguida de extração com acetato de etila e lavagens com água destilada. A fase orgânica foi tratada com sulfato de sódio anidro, filtrada e, em seguida, evaporada. A conversão em ésteres metílicos (99%) foi calculada a partir dos espectros de Ressonância Magnética Nuclear de Hidrogênio (RMN de ¹H)⁸.

Para o estudo de recuperação, foram analisadas três concentrações diferentes de biodiesel em diesel (B0,7, B1,9 e B4,3). Foram selecionadas concentrações próximas aos limites inferior e superior da faixa de estudo estabelecida e uma concentração próxima ao percentual mínimo obrigatório intermediário de biodiesel em diesel (B2). Para cada concentração foram preparadas três misturas de biodiesel:diesel. Cada amostra analisada foi composta por 50 mL da mistura correspondente, 100 mL da solução estoque de padrão interno 2000 mg L^-1 e 350 µL de acetato de etila. Foram preparadas 9 amostras e, cada uma, foi analisada em triplicata. Vale ressaltar que as concentrações selecionadas para o estudo da recuperação foram diferentes das concentrações estabelecidas para construção das curvas de calibração.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Desenvolvimento do método cromatográfico

Em virtude da complexidade da matriz diesel, o método foi desenvolvido no modo de análise por monitoramento seletivo de íons. Esta técnica é freqüentemente aplicada para misturas de compostos onde é requerida uma análise quantitativa mais sensível e específica⁹.

O éster linoleato de metila (LIN) foi selecionado para o monitoramento e quantificação do biodiesel presente nas misturas biodiesel:diesel. O ácido linoleico está presente majoritariamente em diversos óleos vegetais, dentre eles, óleo de soja (53-55%), óleo de milho (57-60%), óleo de algodão (55-57%) e óleo de girassol (68-73%)^10-12. Esta foi a principal motivação para a escolha deste éster no desenvolvimento deste primeiro estudo.

A quantificação foi realizada pelo método de padronização interna, empregando propanoato de n-pentadecanoíla como padrão interno. Este composto é diferente de qualquer éster graxo oriundo de óleo vegetal¹³. Adicionalmente, possui boa estabilidade e tempo de retenção distinto do analito, ou seja, do linoleato de metila. A partir dos espectros de massas do linoleato de metila e do propanoato de n-pentadecanoíla, apresentados na Figura 1, foram selecionados três íons característicos de cada éster para caracterização. Após esta seleção, os picos correspondentes ao padrão interno e ao linoleato de metila foram confirmados pela injeção em diesel, em diferentes concentrações. A Tabela 1 apresenta os tempos de retenção, de acordo com a programação de temperatura adotada, e os fragmentos característicos selecionados para as análises qualitativas e quantitativas.

Validação do método proposto

A validação do método foi realizada a partir da análise dos seguintes critérios de desempenho: análise de interferentes, linearidade, limites de detecção e quantificação, exatidão e precisão. Os testes estatísticos utilizados incluíram a análise de resíduo, os testes de Grubbs, de Cochran e o teste F de Snedecor. A exatidão foi avaliada por ensaios de recuperação e a precisão foi avaliada por estudo de repetitividade e precisão intermediária a partir da comparação entre a inclinação das retas obtidas por dois analistas. Este estudo foi realizado baseando-se nas orientações sobre validação descritas por Ribani et al¹⁴ e Fernandes¹⁵. A seguir serão apresentados os resultados de cada critério de desempenho.

Avaliação de interferentes

Para avaliar a presença de interferentes, o diesel puro foi analisado por CGAR-EM-MSI. O objetivo desta caracterização foi detectar, na matriz, compostos que pudessem apresentar os íons selecionados para quantificar o linoleato de metila e o padrão interno. A Figura 2 apresenta o cromatograma dos íons m/z 255 e 263 do diesel analisado.

O cromatograma mostra que o diesel não possui interferentes nos tempos de retenção (linhas tracejadas) do propanoato de n-pentadecanoíla e do linoleato de metila. Desta forma, pôde-se assegurar que os registros dos íons de m/z 255 e 263 nos cromatogramas das misturas biodiesel:diesel não pertencem ao diesel, mas sim aos ésteres em questão.

Determinação da faixa de trabalho

A seleção da faixa de trabalho foi realizada com base na proposta do governo brasileiro de implementação da mistura B2 (2% de biodiesel em diesel) como percentual mínimo obrigatório intermediário. A faixa de trabalho selecionada foi de 250 a 2500 mg L^-1 de linoleato de metila. Nesta faixa, o método permite a quantificação de 0,5 a 5% de biodiesel.

Avaliação da linearidade

As curvas de calibração dos analistas A e B foram construídas a partir de 6 pontos em triplicata, nas concentrações de 250 a 2500 mg L^-1 de linoleato de metila e 400 mg L^-1 do padrão interno em diesel. A Figura 3 mostra os cromatogramas dos íons m/z 255 e 263 da mistura biodiesel:diesel em três concentrações.

Uma seqüência de ajustes e testes estatísticos foi aplicada aos dados experimentais obtidos. Os dados foram ajustados ao modelo de regressão linear (y = a + bx), sendo submetidos ao teste de Grubbs, que se destina a verificar valores aberrantes. De acordo com o teste, nenhum valor foi descartado com 95% de confiança. Em seguida, as curvas de calibração foram submetidas ao teste de Cochran para avaliar o desvio bilateral das variâncias a um nível de significância de 5%. Este teste destina-se a avaliar a homogeneidade das variâncias, o que permite utilizar a curva de calibração obtida com um limite de confiança aceitável. Os resultados estão apresentados nas Tabelas 2 e 3 para as curvas obtidas pelos analistas A e B, respectivamente.

Os valores de Cochran calculados foram inferiores ao valor de Cochran tabelado, mostrando variâncias homogêneas conforme o aumento da concentração. Este resultado indica que ao longo da faixa de concentração estudada o modelo tem um comportamento homocedástico. Como o teste mostrou que as variâncias são estatisticamente equivalentes, as curvas de calibração foram determinadas através de regressão linear. A Tabela 4 apresenta as equações das retas e os valores de R² obtidos para cada analista.

Para verificar a eficiência do modelo de regressão linear proposto foram analisados os gráficos de resíduo das duas curvas de calibração. O resíduo foi calculado através da diferença entre o valor observado e o valor calculado pela equação da reta de regressão para cada valor de concentração de linoleato de metila. Esta análise corroborou a conclusão do teste de Cochran, que indicou o método como homocedástico na faixa de concentração estudada.

Determinação dos limites de detecção e quantificação

Os limites de detecção (LD) e quantificação (LQ) foram calculados pelo método da relação sinal-ruído. A relação sinal-ruído utilizada para o cálculo do LD e do LQ foi 3:1 e 10:1, respectivamente. Os limites de detecção e quantificação fornecidos pela análise foram de 2 e 5 mg L^-1 de linoleato de metila, respectivamente. Considerando que o diesel foi diluído em uma razão 1:10 para minimizar o efeito da matriz, o limite de quantificação do método corresponde a uma concentração de linoleato de metila de 50 mg L^-1 na mistura biodiesel:diesel.

A quantificação do biodiesel presente no diesel, entretanto, é realizada em função do óleo vegetal empregado para sua produção, ou seja, com base na concentração de linoleato de metila presente na matéria-prima.

Avaliação da exatidão por estudo de recuperação

A recuperação do método foi avaliada a partir de amostras preparadas com biodiesel de óleo de soja misturado ao óleo diesel nas concentrações 0,7; 1,9 e 4,3%. Para cada concentração foram preparadas três amostras e estas foram analisadas em triplicata.

O biodiesel foi preparado a partir da transesterificação de óleo de soja usando excesso de metanol e carbonato de potássio como catalisador¹⁶. A conversão de 99% de triglicerídeos em ésteres metílicos foi determinada por RMN de ¹H. A análise do biodiesel por CGAR-DIC mostrou a presença de 57,2% de linoleato de metila no biocombustível.

A partir do método desenvolvido foi determinada a concentração de linoleato de metila presente em cada amostra. Considerando que o éster compreende 57,2% do biodiesel utilizado no preparo das amostras, foi calculada a quantidade do biocombustível presente nas mesmas. A Tabela 5 apresenta os resultados do estudo de recuperação.

O erro relativo encontrado variou de 4 a 18% ficando abaixo de 20% para todas as concentrações analisadas. A recuperação variou de 82 a 96%. Para a amostra de 1,9% em particular, o erro relativo foi inferior a 10%. Assim, pode-se concluir que o método de quantificação proposto apresentou uma recuperação adequada na concentração próxima à concentração de biodiesel em diesel determinada pelo governo (2%).

Avaliação da precisão por estudo de repetitividade e precisão intermediária

A precisão foi avaliada em função da repetitividade e precisão intermediária. Para avaliar a precisão do método proposto, dois analistas (A e B), em dias diferentes, realizaram, no mesmo aparelho, o procedimento para construção de duas curvas de calibração na mesma faixa de concentração.

A repetitividade foi avaliada a partir da estimativa do desvio padrão relativo (DPR) para cada analista. Os resultados estão apresentados nas Tabelas 2 e 3, já citadas anteriormente. Verificou-se uma boa repetitividade, considerando os dados de cada analista isoladamente. Pode-se observar que o desvio padrão relativo obtido pelo analista A foi inferior a 2%, em toda faixa de trabalho. O mesmo comportamento foi observado para o analista B, onde o desvio também foi inferior a 2%.

Para verificar a precisão intermediária do método, foi feito um estudo comparativo das inclinações das retas obtidas pelos analistas A e B. Para esta avaliação foi realizado o Teste de hipóteses (F de Snedecor), que avalia o desvio bilateral das variâncias a um nível de significância de 5%. O objetivo deste estudo foi verificar se o método fornece os mesmos resultados para analistas diferentes (Tabela 6). O resultado mostrou que as retas dos analistas A e B possuem inclinações iguais, não sendo necessária a construção de uma curva de calibração diária e nem de um mesmo analista para a realização das análises.

CONCLUSÃO

Uma metodologia para a quantificação de misturas bio-diesel:diesel por CGAR-EM-MSI foi desenvolvida e validada. A metodologia desenvolvida é aplicada para biodiesel oriundo de óleos ricos em ácido linoleico. Como perspectiva, a metodologia será ampliada para biodiesel produzido a partir de outros óleos vegetais de interesse nacional.

Os critérios de desempenho avaliados foram linearidade, limites de detecção e quantificação, exatidão e precisão. A faixa de concentração estudada foi de 250 a 2500 mg L^-1 de linoleato de metila. O método mostrou-se adequado uma vez que o teor de biodiesel nas misturas biodiesel:diesel a serem analisadas mantém-se acima do limite de quantificação encontrado. Além disto, o método de quantificação proposto apresentou uma boa recuperação, visto que para uma mistura de biodiesel:diesel de 1,9%, o erro relativo foi inferior a 10%. No estudo de repetitividade, o desvio padrão relativo manteve-se inferior a 2% em toda a faixa de trabalho para os analistas A e B, indicando uma boa sensibilidade e precisão dos resultados. Adicionalmente, a comparação entre a inclinação das retas obtidas pelos dois analistas mostrou que não é necessária a construção de uma curva de calibração diária e nem de um mesmo analista para a realização das análises.

AGRADECIMENTOS

Ao Programa de Formação de Recursos Humanos da ANP; ao Laboratório de RMN do Instituto de Química da UFRJ; à D. R. Fernandes pela colaboração no desenvolvimento deste trabalho.

Recebido em 13/11/06; aceito em 21/6/07; publicado na web em 9/11/07

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  21 Jan 2008
• Data do Fascículo
  2007

Histórico

• Recebido
  13 Nov 2006
• Aceito
  21 Jun 2007