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Química Nova

Print version ISSN 0100-4042On-line version ISSN 1678-7064

Quím. Nova vol.32 no.5 São Paulo  2009

http://dx.doi.org/10.1590/S0100-40422009000500010 

ARTIGO

 

Estudo da adsorção de brometo de etídeo em resina XAD-7

 

Study of ethidium bromide adsorption on XAD-7 resin

 

 

Mônica Winkler de Oliveira; Alexandre W. S. Hilsdorf; Astréa F. de Souza Silva; André Fernando Oliveira*

Núcleo de Ciências Ambientais, Universidade de Mogi das Cruzes, Av. Cândido X. A. Souza, 200 08780-911 Mogi das Cruzes - SP, Brasil

 

 


ABSTRACT

The adsorption of ethidium bromide on XAD-7 resin was studied. The Freundlich model was the most representative isotherm model to describe the sorption behavior. A solid-liquid equilibrium model was proposed to explain the resin mass influence on the sorption. The equilibrium constant value estimated was 2.31. The results showed an ethidium bromide ion-pair physical adsorption, with adsorption enthalpy equals to -19.33 kJ/mol. A pK2 value equals to 4.69 ± 0.01 was estimated by two distinct methods. The results will be applied to the ethidium bromide preconcentration aiming its decomposition.

Keywords: ethidium bromide; XAD-7 resin; adsorption isotherm.


 

 

INTRODUÇÃO

A Química Verde, um conceito importante atualmente, tem como preocupação o desenvolvimento de tecnologias e processos que levam em consideração os impactos à saúde humana e ao meio ambiente, por meio, por exemplo, da diminuição do uso e da geração de materiais perigosos, gerados pelos inúmeros produtos fundamentais à humanidade.1

O brometo de etídeo (EtBr) é um composto derivado da fenantridina,2 cujos equilíbrios ácido-base de Bronsted são apresentados na Figura 1, e muito utilizado em laboratórios de biologia molecular para corar ácidos nucléicos, pois, quando intercalado na estrutura de DNA, o sistema formado fluoresce com uma cor vermelho-alaranjado3 sob luz ultravioleta.3,4 Desta maneira, este composto é um severo poluente devido à capacidade de se intercalar na estrutura do DNA, apresentando um elevado potencial mutagênico e carcinogênico.3-5

 

 

Vários procedimentos são descritos para a destruição do brometo de etídeo, principalmente sua adsorção em carvão ativo seguida de incineração do conjunto,6,7 enquanto que outros procedimentos incluem a destruição com agentes oxidantes e redutores,2,4 como permanganato de potássio e hipoclorito de sódio. Alguns autores, entretanto, não recomendam essa prática, pois há indícios da produção de resíduos também tóxicos.4 Além disso, as baixas concentrações do brometo de etídeo nos resíduos também dificultam sua destruição.2

A XAD-7 é uma resina polimérica adsorvente composta por monômeros de éster-acrílico que possui polaridade intermediária. Tem sido usada para remover poluentes orgânicos de resíduos aquosos, para adsorver tanto materiais hidrofóbicos de água como materiais hidrofílicos de sistemas não-aquosos,8 assim como na pré-concentração de substâncias húmicas9 e metais, após adsorção de compostos quelantes.10

O estudo do comportamento do EtBr sobre XAD-7 é importante para o desenvolvimento de metodologia para pré-concentração desse composto, visando posterior destruição. Espera-se a adsorção deste cátion nesta resina neutra, através da formação de par iônico.11 O objetivo deste trabalho foi, portanto, estudar o processo de adsorção do brometo de etídeo em resina XAD-7.

 

PARTE EXPERIMENTAL

Todos os reagentes utilizados foram de grau analítico e usou-se água deionizada em todos os experimentos. Os espectros de absorção foram obtidos em espectrofotômetro UV-visível Agilent 8453A com cubetas de quartzo com caminho óptico de 10 mm.

Solução de brometo de etídeo - (EtBr) (Merck) 1,23.10-3 mol/L. As demais soluções de trabalho foram preparadas a partir dessa solução estoque por diluição.

Solução tampão universal - foi preparada uma solução contendo citrato 0,05 mol/L, fosfato 0,04 mol/L e ácido bórico 0,05 mol/L, cujo pH foi ajustado com HCl 4,8 mol/L. A força iônica foi corrigida com NaCl para o valor de 0,5 mol/L.

Pré-condicionamento da resina XAD-7 - para garantir a ausência de substâncias previamente adsorvidas à resina, uma massa de resina nova foi lavada com água deionizada e mantida em uma solução de HCl 0,12 mol/L, sob agitação magnética por 4 h. A solução foi filtrada e após a lavagem da resina, com água deionizada, foi mantida em uma solução de NaOH 0,1 mo/L (Synth) sob agitação magnética por mais 4 h. Após este tempo, a resina foi novamente lavada e mantida em água deionizada por uma noite. O tratamento foi finalizado mantendo-se a resina em metanol (J.T Baker) sob agitação por 4 h e depois de filtrada, seca em dessecador a vácuo.12

Procedimento

Para obtenção das isotermas utilizou-se 10 mL de cada solução de EtBr com concentrações de 10 a 100 µmol/L, em béqueres contendo diferentes massas de resina de 20 a 500 mg. As misturas foram mantidas em agitação magnética por 10 min e a concentração de EtBr em equilíbrio foi determinada no sobrenadante.

Os efeitos do pH e da temperatura na adsorção de soluto foram avaliados com variação no pH de 2,0 a 7,0 e da temperatura de 10 a 40 ºC, utilizando-se uma massa constante de 200 mg de resina.

A resina também foi avaliada em termos de retenção de prótons. Para este estudo, uma coluna contendo a resina foi percolada com 2 mL de ácido clorídrico 1 mol/L e lavada com água. Posteriormente pesou-se 500 mg dessa resina, colocou-se 5 mL de água e a mistura foi titulada com hidróxido de sódio 0,09 mol/L.

 

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Caracterização e método de quantificação do brometo de etídeo

Para a determinação da concentração de brometo de etídeo na fase aquosa, optou-se pela espectrofotometria molecular. O espectro de absorção do composto apresenta 4 máximos de absorção em 213, 286, 317 e 480 nm.

Os valores de absortividades molares aparentes referentes aos comprimentos de onda citados foram determinados mediante curvas analíticas obtendo-se de 4,4.104; 5,5.104; 1,6.104 e 5,9.103 L/(mol cm), respectivamente, para 213, 286, 317 e 480 nm. Desta maneira, foi escolhido o comprimento de onda igual a 286 nm para o monitoramento da concentração de brometo de etídeo por apresentar a maior sensibilidade da curva analítica (Figura 2).

 

 

O comportamento do brometo de etídeo foi estudado em diversos valores de pH em tampão universal, conforme apresentado na Figura 3, a fim de compreender o seu comportamento ácido-base. Com o aumento do pH do meio, observa-se o aumento da banda na região de 213 nm e a diminuição em 226 nm devido à diminuição da concentração da espécie protonada. A elevação da linha base abaixo de 213 nm foi devida à presença do tampão universal.

 

 

A influência do pH no espectro é devido ao equilíbrio de transferência de prótons (equilíbrio ácido-base de Bronsted-Lowry). Pela análise da estrutura da molécula, é possível estimar dois sítios de protonação, ou seja, as aminas aromáticas, as quais apresentam, usualmente, valores de pKa menores que 5,0, mas, devido à conjugação na fenantridina, uma delas devem apresentar um valor algumas unidades mais baixo.13

Assim, os graus de dissociação foram então estimados, considerando-se um sistema pseudo-monoprótico e, portanto, utilizando-se a Equação 1 14

onde αi é o grau de dissociação para a espécie a espécie 'i'; Aj é a absorbância no comprimento de onda (205 e 226 nm) para o pH igual a j; Amax, a maior absorbância medida nesse comprimento de onda no pH onde se supõe que o grau de dissociação seja igual a 1 e, B é o valor do branco nesse mesmo comprimento de onda.

A partir dos dados experimentais, onde é observado apenas um equilíbrio ácido-base, considera-se que o próton removido nessa faixa de pH corresponde ao segundo próton ionizável do composto (associado ao segundo pKa do composto), devido à elevada acidez do primeiro sítio de protonação, como já discutido.

Desta maneira o pK2 foi estimado por dois métodos distintos (Figura 4). O primeiro, utilizando a forma logarítmica da equação da constante de acidez (Equação 2)

onde α1 e α2 são, respectivamente, os graus de dissociação da espécie protonada e com um próton a menos. Foi verificado o comportamento linear da Equação 2 sendo, então, o pKa estimado de 4,69 ± 0,01 estimado por regressão linear (Figura 4).

Para a estimativa do pKa foi também testado um método não-linear sigmoidal (sigmóide de Boltzmann) para a curva de α2 em função do pH (Figura 4). Este método é útil para determinar o pKa em sistemas cuja resposta analítica (R) é função apenas de uma espécie do equilíbrio ácido - base pela Equação 3

onde Ro é uma componente constante da resposta que não é influenciada pelo pH e Ri é a resposta da espécie que influencia o sistema. Assim, considerando-se um sistema pseudomonopróticos, o grau de dissociação pode ser calculado pela Equação 4.

Assim, foram obtidos os parâmetros para o modelo não-linear apresentado na Equação 5, com auxílio do software Microcal Origin 6.0

onde os termos A1 e A2 devem diferir por uma unidade, sendo o segundo igual à absorbância da solução na condição em que o grau de dissociação do composto é igual a 0, ou seja, o valor do branco. O valor estimado do expoente xo é igual ao pKa, fixando-se o termo dx igual a 1/ln(10), ou seja, 0,43429. O valor de pKa obtido foi igual a 4,69 ± 0,05. Este último método é mais interessante, pois não exige que a resposta seja obtida em um grande intervalo de pH.

A importância da determinação dos valores de pKa de um sistema químico em qualquer estudo em solução (principalmente em solução aquosa) é a compreensão do comportamento das espécies desse sistema em solução.

Estudos de adsorção

No estudo das isotermas do brometo de etídeo adsorvido em resina XAD-7, utilizaram-se diferentes massas da resina e o valor do pH das soluções foi mantido em 7,0, valor em que as aminas estão desprotonadas. A partir das medidas de absorbância (em 286 nm), realizadas após o tempo de agitação e repouso, foram calculadas as quantidades de brometo de etídeo adsorvidas. É importante ressaltar que os valores de pH das soluções foram sempre ajustados para o mesmo valor antes das medidas de absorbância (isto é, igual 4,0) para garantir o mesmo comportamento do sistema em relação à curva analítica.

O modelo de Langmuir não se mostrou adequado para os resultados obtidos. Foi estudado o modelo da isoterma de Freundlich (Equação 6) o qual apresentou um comportamento linear em todas as condições estudadas, como pode ser observado na Figura 5.

 

 

onde Kf é capacidade de adsorção e 1/b é intensidade de adsorção. Esses parâmetros foram obtidos por regressão linear da curva de linearização (Equação 7) e são apresentados na Tabela 1.

Assim, a inclinação (1/b) não diferiu significativamente da unidade, ao nível de 95% de confiança,15 para todas as condições experimentais estudadas. Desta maneira, a isoterma de Freundlich é chamada "linear",16 ou tipo constant partition.17

O coeficiente de adsorção Kf permite identificar a capacidade do adsorvente em reter um soluto; pode ser entendido como uma medida da distribuição de equilíbrio entre as fases líquida e sólida.18 Os valores apresentados na Tabela 1 sugerem interações de natureza dispersiva (forças de London).19

Ainda que o modelo de Freundlich seja usualmente tratado como empírico, para racionalizar os resultados tomou-se por base um modelo de equilíbrio de adsorção sólido-líquido, considerando-se o par-iônico do brometo de etídeo

quantitativamente definido pela constante de equilíbrio Ks e pelo balanço de matéria,

onde n é a quantidade de matéria de brometo de etídeo, os sub-índices R e aq se referem às fases resina e aquosa, respectivamente. CT é a concentração total de brometo de etídeo inicialmente na fase aquosa antes de estar em contato com a resina isenta desse composto.

As Equações 9 e 10 podem ser rearranjadas para estabelecer a relação entre a concentração de brometo de etídeo adsorvido e a sua concentração total no sistema.

Assim, a Equação 11 é uma expressão clássica da Equação de Freundlich linear, se pH, temperatura e força iônica são mantidos constantes. É interessante observar que o modelo utilizado é análogo ao equilíbrio de partição.20

A relação do termo linear com a massa de resina pode ser obtida a partir da Equação 7.

Na Figura 6 é apresentado o gráfico da recíproca dos termos lineares da Equação logarítmica de Freundlich e a massa de resina, com valores apresentados na Tabela 1. Observando o comportamento linear previsto na Equação 12, estimou-se a constante de equilíbrio de adsorção condicional Ks em 2,31 L/mg a 25 ºC.

 

 

As isotermas de Freundlich em diferentes temperaturas foram estudadas e a entalpia de adsorção foi obtida mediante o gráfico de ln Kf versus 1/T (Figura 7) e através da Equação de van't Hoff (Equação 13). Utilizando-se dos valores de Kf obtidos (Tabela 2), estimou-se a entalpia de adsorção em -19,7 ± 1,1 kJ/mol. Isto significa que a adsorção é um processo exotérmico, ou seja, o valor de Kf tende a diminuir à medida que a temperatura se eleva.21 Além disso, esse valor é compatível com aqueles processos relacionados a uma adsorção física.22

 

 

A fim de avaliar a presença de grupos carboxílicos residuais na resina devido à eventual hidrólise dos ésteres acrílicos, a qual poderia então atuar como uma resina aniônica fraca, uma massa de resina foi titulada com NaOH após ter sido eluída com HCl 1,0 mL e lavada com água. Não foram observados nenhuma desprotonação nem ponto de equivalência, de maneira que é razoável considerar a resina realmente neutra.

No estudo de adsorção em soluções com diferentes valores de pH, não foram observadas variações significativas na adsorção, o que poderia ser atribuído ao fato de não haver a formação de cargas na resina ou no composto e a adsorção ser mesmo de natureza física, onde o adsorbato se encontra ligado à superfície por forças de van der Waals.22 Com essas evidências, sugere-se que esteja havendo a adsorção do par-iônico brometo de etídeo e não apenas do cátion. A estabilidade do par iônico está relacionada à grande polarizabilidade do ânion e ao tamanho do cátion.23

 

CONCLUSÕES

O comportamento do brometo de etídeo em solução foi caracterizado com auxílio da determinação do pK2 utilizando-se dois métodos distintos para esse cálculo. O valor obtido foi concordante entre ambos e igual a 4,69 ± 0,01. A isoterma linear de Freundlich mostrou-se adequada para explicar a adsorção de EtBr sobre a resina XAD-7 e um modelo de equilíbrio sólido-líquido foi aplicado para esclarecer a influência da massa de resina sobre a adsorção. A constante de equilíbrio envolvida foi também estimada e com um valor igual a 2,31. O pH da solução não influenciou significativamente o sistema, enquanto que com o aumento da temperatura se determinou a entalpia de adsorção da ordem de -19,33 kJ/mol, que indica adsorções por interações físicas apenas.

 

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Recebido em 3/4/08; aceito em 16/12/08; publicado na web em 11/5/09

 

 

* e-mail: ferqa@umc.br

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