Relatorio 3- linhas de enriquecimento
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Relatorio 3- linhas de enriquecimento


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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO 
CENTRO DE ENERGIA NUCLEAR NA AGRICULTURA \u2013 CENA/USP 
 
 
 
 
 
Aula prática 11/07/2019: 
Linhas de separação isotópica e de síntese de compostos enriquecidos (10B, 13C, 15N e 
34S) 
 
 
 
 
Aluna: Nicoli Gomes de Moraes 
Professor: Dr. José Albertino Bendassoli 
Disciplina: Metodologia de Isótopos Estáveis \u2013 CEN5706 
 
 
 
 
 
 
Piracicaba 
Julho/2019 
Título: Linhas de separação isotópica e de síntese de compostos enriquecidos (10B, 13C, 
15N e 34S) 
 
1. Introdução 
Os primeiros estudos envolvendo isótopos estáveis ocorreram no início dos anos 
1950, por geoquímicos e paleoceaonográficos, para entender questões como as condições 
climáticas do passado, os sistemas de expansão hidrotérmicos e as formações rochosas 
(LAJTHA & MICHENER, 1994). 
Nos últimos anos, a aplicação de isótopos estáveis como traçadores naturais têm 
crescido nos mais variados campos da ciência, como ecologia, agronomia, geologia e 
arqueologia, por exemplo (CAXITO & SILVA, 2015). Como consequência, a demanda 
por produtos enriquecidos em isótopos naturais, têm aumentado. 
Existem diversos métodos propostos na literatura para a separação isotópica de 
diferentes elementos químicos, como a destilação, difusão gasosa, centrifugação gasosa, 
eletrólise, separação eletromagnética, troca química, cromatografia de troca iônica, entre 
outros. Frente a outros métodos, a cromatografia de troca iônica vem sendo muito 
empregada para as espécies como boro, nitrogênio, enxofre e carbono pois apresenta 
eficiência, simplicidade e vantagens econômicas (CARNEIRO JUNIOR,1989). 
No Brasil, o Laboratório de Isótopos Estáveis (LIE) do CENA/USP é responsável por 
toda a produção de compostos enriquecidos nos isótopos 15N e 34S e também por alguns 
compostos marcados nos isótopos 10B e 13C. Para a produção desses compostos no 
referido laboratório, são utilizadas técnicas de cromatografia de troca iônica 
(BENDASSOLLI et al., 2003). 
 
2. Objetivos 
Conhecer as linhas de separação isotópica e as principais metodologias de síntese 
de compostos enriquecidos em 10B, 13C, 15N e 34S, do Laboratório de Isótopos Estáveis 
(LIE) do CENA/USP. 
 
3. Tópicos abordados na aula prática 
3.1. Linha de separação de 15N e preparo de compostos nitrogenados 
A linha de separação de 15N é composta por três sistemas de colunas (Figura 1) de 
resina catiônica Dowex 50W X8 (granulometria é de 200 mesh) em cascata para produção 
de 15NH4
+ com alto enriquecimento, sendo que cada sistema contém sete colunas de 
acrílico de 2 metros de altura (Sistema 1: dois conjuntos, cada um contendo 7 colunas de 
15 cm de diâmetro; Sistema 2: 7 colunas de 9 cm de diâmetro; e Sistema 3: 7 colunas com 
5 cm de diâmetro). As colunas são ligadas em série por tubos de nylon ou polietileno. Em 
média, é necessário deslocar de 14 a 15 colunas do sistema 1 para obter enriquecimento 
de 3 a 4% em átomos de 15N nos últimos 8 cm finais da banda cromatográfica. 
 
Figura 1: Linhas de separação de 15N, sendo 1, 2 e 3, correspondentes as colunas 
do sistema 1, sistema 2 e sistema 3, respectivamente. 
Para obter níveis mais elevados de enriquecimento, realiza-se acoplamentos entre 
o sistema 1 e os demais, pois quanto menor o diâmetro da coluna, maior a capacidade de 
separação (maior a quantidade de pratos teóricos). No sistema 2, após o deslocamento de 
8 colunas, é possível obter um enriquecimento de, aproximadamente, 68% em átomos de 
15N, no entanto, após acoplamento ao sistema 3, é possível obter enriquecimento de 90 a 
95% em átomos de 15N. Inicialmente, carrega-se os sítios ativos das resinas com 
(NH4)2SO4 100g/L. O deslocamento da banda cromatográfica é feito com NaOH. Nessa 
etapa, o íon amônio passa da fase resina para a fase solução e a fração mais enriquecida 
em 15N fica na parte traseira da banda cromatográfica. A regeneração da coluna é 
realizada com água deionizada e NaOH. Após a compactação das colunas, passa-se água 
deionizada de modo ascendente. 
Para determinar o enriquecimento após o deslocamento, tira-se o perfil nos 
últimos centímetros da banda cromatográfica. Nesse momento, uma parcela de amônia 
contida na fase solução é recolhida em frasco contendo ácido sulfúrico e analisada por 
cromatografia. A resina utilizada é regenerável e pode ser reutilizada por, 
aproximadamente, 40 anos. 
Ressalta-se aqui que há geração de grande volume de efluentes nesses processos. 
O LIE-CENA/USP domina metodologias para obtenção e síntese de quinze 
compostos nitrogenados enriquecidos em 15N, os quais são sintetizados, principalmente, 
a partir da 15NH3. 
Para a obtenção da amônia, inicialmente, é necessário purificar o sulfato de 
amônio em sistema de destilação (Figura 2). Nesse sistema, adiciona-se NaOH ao 
(NH4)2SO4, formando assim, hidróxido de amônio. Em seguida, o composto é aquecido, 
de modo a liberar amônia, que é recebida em ácido sulfúrico até pH 5.5. Por último, essa 
solução é levada em chapa aquecedora (Figura 3), obtendo assim, o sulfato de amônio 
purificado e enriquecido em 15N. Para a obtenção da amônia anidra, reage-se o sulfato de 
amônio com hidróxido de sódio em outra linha (Figura 4). 
 
 
Figura 2: Sistema de purificação de sulfato de amônio. 
 
Figura 3: Chapa aquecedora para obtenção de (15NH4)2SO4 sólido. 
 
Figura 4: Linha de produção de amônia anidra, onde frasco contendo ácido 
sulfúrico está destacado em vermelho. 
Para a obtenção dos aminoácidos glicina e D-alanina, reage-se 5g de NH3 com 5g 
de ácido cloroacético e NH3 com ácido \u3b1 2 bromo propiônico em reator (Figura 5), 
respectivamente. 
 
Figura 5: Reator para produção de glicina e D-alanina 
O glifosato é produzido a partir da glicina: incialmente, adiciona-se 
paraformaldeído e metanol onde o sistema (Figura 6) fica em refluxo, obtendo aldeído. 
Em seguida, adiciona-se trimetilamina e dietil fosfito (base do glifosato é a glicina e o 
dietil fosfito). Na sequência, é realizada uma destilação para retirar os voláteis. Após 
destilação, adiciona-se HCl e gera-se o glifosato ácido. Por último, adiciona-se o 
tensoativo monoisopropanolamina, obtendo-se o glifosato (Roundap, conhecido 
comercialmente). 
 
Figura 6: sistema de produção de glifosato 
Para síntese de ácido nítrico, mistura-se NH3 anidra e água ultrapura. Essa mistura 
é preaquecida a 100ºC e passada em leito catalítico (contendo liga metálica de platina 
90% e ródio 10%). Nessa etapa, o NH3 é transformado em NOx ou em NO. Em seguida, 
o NOx/NO é recebido em água, dentro de um reator, formando assim, ácido nítrico. Para 
obter KNO3, o ácido nítrico é recebido em ácido contendo potássio. 
Para a síntese de ureia, primeiramente é introduzido enxofre elementar em um 
reator (Figura 7) e faz-se vácuo, em seguida, adiciona-se NH3, CO2 e H2S. Após reação, 
gera-se ureia e enxofre. Em seguida, realiza-se filtração para a separação desses 
compostos. A ureia obtida é seca. Para obter ureia na forma de grânulos (como encontrada 
comercialmente), a ureia sintetizada é moída (Figura 8) para a formação de microesferas 
e, em seguida, agitada em pratos granuladores. 
 
Figura 7: Sistema de síntese de ureia onde o reator está destacado em vermelho. 
 
Figura 8: Moedor utilizado durante etapa de preparação da ureia 
 
3.2.Linha de separação de 10B 
A linha de separação de 10B é formada por dois sistemas de colunas de acrílico de 
2 metros de altura (Figura 9), preenchidas com resina aniônica Dowex 1X8 (Sistema 1: 5 
colunas de 8cm de diâmetro; e Sistema 2: 6 colunas com 3 cm de diâmetro). Com o 
deslocamento de 35 colunas do sistema 1, obtém-se enriquecimento de até 70% em 
átomos de 10B. Após