Pinch valve injector for flow analysis

Quimica nova

Pedrotti, Jairo J.¹  Gutz, Ivano G. R.²  Palgrossi, Fabiano S.² 

[1] Universidade Presbiteriana Mackenzie;Universidade de São Paulo, São Paulo

关键词: injector;    commutator;    flow analysis;    pinch valve.  ;     ;    INTRODUÇÃO Quando Jaromír Ruzicka e Elo Hansen propuseram a análise por injeção em fluxo;    FIA;    na primavera de 19741;    2;    utilizaram seringa hipodérmica para injetar amostras no circuito hidráulico que conduzia ao detetor. Naturalmente;    a altura e forma dos picos registrados neste modo de introdução da amostra sofrem certa influência da velocidade e uniformidade de injeção;    razão pela qual;    durante a evolução da FIA;    a injeção manual com seringa cedeu lugar para outros modos de introdução de amostra (e reagentes) que apresentam repetibilidade maior e são menos dependente do operador. Entre estes;    popularizaram-se as válvulas de injeção em que a comutação entre os canais é feita por rotação1 (rotary valves);    nas quais uma alça tubular (ou loop) de volume fixo é preenchida com a amostra e;    após a rotação da válvula;    a alça é intercalada no circuito de fluxo e descarregada por deslocamento em direção à bobina de reação e/ou outros dispositivos que precedem o detetor. O número de injetores comerciais projetados para FIA ;    –;    ;    em geral;    integrados a sistemas completos ;    –;    ;    é pequeno se comparado ao amplo leque disponível para cromatografia;    especialmente HPLC;    incluindo modelos eletromecânicos ou eletropneumáticos;    muitos dos quais;    apropriados para interfaceamento com microcomputadores. Apesar de servirem para FIA;    as válvulas para HPLC são caras;    principalmente por terem sido projetadas para operação em pressões elevadas (da ordem de 340 bar). Por isso;    diversas alternativas vem sendo propostas na literatura. Entre elas;    estão variantes do conceito do injetor rotatório;    contemplando comutação por deslocamento linear;    adição de múltiplos canais e acionamento por motor ou solenóide;    para possibilitar automação. No Brasil;    os pesquisadores do CENA-USP;    Piracicaba;    desenvolveram injetor deslizante acionado por válvulas solenóide3;    bem como injetor manual rotatório simples;    durável e bastante difundido;    ambos compatíveis com configurações complexas de comutação de fluxos4. Entre estas configurações;    a comutação permitindo o preenchimento simultâneo de duas alças;    uma com amostra e outra;    com reagente;    seguida de descarga em fluxo coalescente;    serve de exemplo por sua utilidade em minimizar o consumo de reagentes dispendiosos ou tóxicos. A análise em fluxo monossegmentado é outra modalidade atraente que requer múltiplos canais5. Apesar da automação de válvulas de injeção sob controle de microcomputadores estar bem estabelecida na década de 80;    mesmo no Brasil6;    só mais recentemente a configuração de comutadores alcançou liberdade adicional com o uso de válvulas solenóide discretas7. Todavia;    mesmo o mais simples injetor de amostras é composto por 3 destas válvulas;    cujo custo unitário se situa ao redor de US$80;    00;    e um número maior de válvulas é requerido em configurações mais complexas. Há;    pois;    interesse em investigar alternativas igualmente efetivas e mais econômicas;    entre as quais se focaliza;    nesta nota técnica;    as válvulas de pinçamento ou estrangulamento (pinch ou clamp valves) de um tubo flexível. Válvulas de estrangulamento manuais;    ao custo de US$10;    00 foram propostas para baratear sistemas FIA8. Válvulas de estrangulamento acionadas por solenóide;    empregadas;    por exemplo;    para comutar fluxos de gás em sistemas automatizados6;    foram aproveitadas só mais recentemente na construção injetores para análise em fluxo por espectrofotometria de absorção atômica;    não só para soluções9 como para suspensões de sólidos em água;    no que se mostraram mais efetivas que as válvulas solenóide normais10. Estes injetores são compostos por válvulas de estrangulamento discretas (um tubo aberto e outro;    estrangulado por uma mola;    quando o solenóide está desligado) residindo a vantagem não no preço –;    que é similar ao das válvulas solenóide convencionais–;    mas no fato de suportarem melhor partículas sólidas em suspensão. Na presente nota técnica;    será apresentada a construção de dispositivo que permite acionar simultaneamente 8 válvulas reversíveis (16 tubos) com um único solenóide que custa cerca de US$60;    00;    menos que uma válvula discreta. Seu bom funcionamento será demonstrado por comparação com outros tipos de injetores.  ;    PARTE EXPERIMENTAL Sistema mecânico do injetor/comutador A Figura 1 ilustra o comutador construído;    deixando visível o único solenóide (3Kgf / 115V;    marca CB);    as 2 molas de retesamento;    o prolongamento do eixo do solenóide;    feito com uma haste de PTFE (pode ser substituído por PVC) e provido de dois pinos de 5 cm perpendiculares ao eixo e paralelos entre si (somente um está visível na Figura) e o anteparo preso à base por parafusos;    em cujas faces opostas;    paralelas entre si;    estão instalados os tubos a serem estrangulados (6 dos quais;    os normalmente abertos;    estão visíveis na figura). Os tubos são mantidos em posição por 4 longas hastes de latão (os 2 de uma das faces estão visíveis) inseridos em orifícios praticados na peça de Nylon. ;    Na Figura 2 pode-se compreender melhor o mecanismo de comutação das válvulas;    em número máximo de 16. Na posição de repouso (mantida por ação de duas molas);    um dos pinos estrangula até 8 tubos finos e flexíveis afixados numa das faces do suporte fixo de Nylon. Já o segundo pino só pressiona os tubos da face oposta quando a bobina do solenóide estiver energizada;    ocasião em que as demais válvulas (as normalmente fechadas) permanecem abertas. A tensão das molas acopladas ao solenóide pode ser ajustada controlando o número de espiras tensionadas;    de modo a conseguir-se o efetivo estrangulamento de todos os tubos. Foram utilizados tubos de silicone com aproximadamente 1;    0 mm de d.i. e 2;    5 mm de d.e. Para acionar a bobina do solenóide;    construiu-se um circuito alimentador controlado por microcomputador. ;    Circuito de alimentação e interfaceamento do solenóide O circuito de alimentação elétrica do solenóide encontra-se representado na Figura 3. A tensão da rede foi retificada com auxílio de uma ponte de diodos seguida de um capacitor;    cujos bornes alcançavam tensão de aproximadamente 160 V. Em série com a alimentação da ponte de diodos colocou-se uma lâmpada incandescente de 60 W. Ao ligar-se o solenóide através de relê controlado pelo microcomputador;    ocorria;    inicialmente;    um pico de tensão;    visto que o capacitor se encontrava carregado e a lâmpada;    apagada;    apresentava resistência interna baixa;    da ordem de 19 W. Em frações de segundo;    a lâmpada acendia;    elevando sua resistência para mais de 200 W;    e fazia a tensão de manutenção aplicada ao solenóide decair para cerca de 20 V d.c. Esta tensão mostrou-se apropriada para manter os 8 tubos estrangulados. ;    Para interfacear o relê de acionamento ao microcomputador;    recorreu-se a uma das portas lógicas de saída de um cartão PCL 711S (fabricada pela Advantech Co.);    munida de um transistor para aumentar sua capacidade de corrente. O programa de controle do circuito da Figura 3 foi escrito em linguagem C;    e permite controle preciso do tempo durante o qual o solenóide permanece ligado e desligado;    do número de ciclos a realizar e;    se desejado;    dos períodos em que uma bomba peristáltica auxiliar preenche a alça de amostragem por sucção. Sistema FIA para avaliação do injetor A avaliação do injetor deu-se incorporando-o em sistema FIA (Figura 4) com detecção espectrofotométrica;    feita com um espectrofotômetro Hitachi modelo U-2001 (acoplado ao computador para aquisição de dados);    ajustado em l=427 nm;    vez que se procedeu à injeção de soluções de dicromato de potássio ([Cr(VI)] = 0;    85 mmol/L). O pH das soluções foi mantido em cinco com tampão acetato/ácido acético;    ou seja;    tinha-se a coexistência da mistura de dicromato ;    –;    ;    cromato;    todavia;    em proporção constante. Nos experimentos apresentados;    utilizou-se uma cubeta de quartzo para fluxo Hellma modelo 178.010–;    QS;    com 10 mm de caminho óptico. A vazão foi mantida em 3;    5 mL/min;    com auxílio de uma bomba peristáltica Ismatec modelo Reglo. ;    A Figura 4 traz a configuração do sistema FIA;    na situação de descarga da amostra (solenóide desligado);    previamente admitida na alça de amostragem com o solenóide ligado. Das até 16 válvulas suportadas pelo comutador;    somente 3 normalmente fechadas e 3 normalmente abertas foram utilizadas;    servindo uma destas para aspirar ar quando não se está carregando a alça com amostra com auxílio de um dos canais da bomba peristáltica. As interconexões dos tubos foram feitas com pequenos discos de acrílico com 3 furos a 120 graus;    visíveis na Figura 1. Outros injetores para intercomparação O desempenho do injetor/comutador proposto foi avaliado por comparação com outros modelos de injetores disponíveis no laboratório;    a saber: injetor eletropneumático Rheodyne modelo 5701 (2 válvulas solenóides controlam a aplicação de ar comprimido em extremidades opostas de um cilindro contendo pistão que aciona a válvula) com custo superior a US$700;    00;    injetor configurado com 3 válvulas solenóide de PTFE;    1/8";    catálogo Cole-Parmer;    nº 01367-72 (cerca de US$240;    00 para 3 válvulas) e injetor manual;    do tipo desenvolvido no CENA4 (custo estimado;    US$50;    00). Os dois injetores que o permitiam foram interfaceados via placa PCL 711S e controlados por programas em linguagem C. Não houve alteração nos demais parâmetros do sistema FIA na intercomparação dos 4 injetores.  ;    RESULTADOS E DISCUSSÃO Nas primeiras tentativas de utilização do solenóide de 3 Kgf;    o mesmo foi alimentado diretamente com 115 V a.c.;    conforme especificação do fabricante. Nestas condições;    houve dificuldade em ajustar a posição do solenóide em relação às válvulas;    bem como da tensão das molas;    para conseguir o estrangulamentos efetivo e simultâneo de 8 tubos de silicone em cada uma das posições. O solenóide;    na posição mais afastada do núcleo;    mal vencia a tensão das molas ao ser acionado. Todavia;    logrado o movimento inicial do núcleo;    ocorria estrangulamento dos tubos com intensidade superior à necessária e a bobina apresentava aquecimento e emitia desconfortável ruído de 60 Hz. Deduziu-se que;    para otimizar o funcionamento;    se fazia necessário um pulso inicial de tensão superior à nominal;    seguido de tensão de manutenção bem menor. Isto foi conseguido com um circuito engenhoso e simples apresentado na Parte Experimental;    envolvendo superalimentação inicial por retificação da rede elétrica;    seguida de redução da tensão pela incandescência da lâmpada ligada em série. Naturalmente;    pode-se imaginar soluções mais convencionais (não testadas) em substituição à da lâmpada. Todas requerem um sinal adicional que determine a duração do pulso de tensão inicial (0;    3 a 0;    6 s);    que pode ser obtido com um circuito RC ou com o uso de um bit extra da porta paralela da interface bem como uma linha adicional no programa. Pode-se chavear;    por exemplo;    entre a tensão da rede de 115 V e a de um transformador com secundário de 15 V;    entre a alimentação direta e através de resistor de 200 W;    entre dois ajustes distintos de disparo de um triac (colocado antes do retificador);    ou entre duas correntes (2 resistores distintos) aplicadas à base de um transistor de potência colocado em série com o solenóide do injetor. Nesta nota técnica;    só se demonstra a utilização da placa de interface para o acionamento do solenóide. Obviamente;    ela pode ser aproveitada também para o acionamento ou mesmo o controle de rotação de bombas peristálticas;    aquisição de dados do espectrofotômetro ou mesmo comando de um trocador de amostras;    vez que dispõe de conversor A/D e D/A ao lado das portas lógicas de entrada e saída. Se necessário;    o microcomputador pode ser mantido livre para outras tarefas durante todo o tempo;    inclusive durante o período de injeção. Para tanto;    basta configurar em cascata os contadores (Intel 8253 ou 8255 nas versões mais recentes) existentes no cartão de interface para que estes;    mediante disparo por um simples bit enviado do programa;    passem a determinar precisamente o intervalo de tempo de acionamento do solenóide. Por outro lado;    quando o injetor multicanal é usado em aplicações simples e esporádicas;    que dispensem o uso de um microcomputador para outras funções;    este pode ser operado manualmente com auxílio de uma chave colocada entre o capacitor e o solenóide (Figura 3). Antes de passar para a apresentação de resultados;    cabe assinalar que o injetor configurado com o comutador de válvulas de estrangulamento deve ser classificado como injetor hidrodinâmico4;    10. Na Figura 5 é apresentado o registro expandido de um pico obtido durante a injeção de solução de cromato/dicromato. O pico tem andamento normal;    sem qualquer anomalia como alargamento da base ou outro sintoma indicativo de oscilação ou vazamento das válvulas. A repetibilidade dos picos para diversos volumes de alça de amostragem pode ser apreciada na Figura 6. Ressalte-se que não foi observada qualquer interferência elétrica do circuito de acionamento do solenóide do comutador com o detetor espectrofotométrico. ;    Para efeito de comparação dos 4 injetores;    as alturas médias das seqüências de 14 a 15 picos extraídas da Figura 6 e outras similares referentes aos demais injetores;    acompanhadas do desvio padrão relativo;    DPR;    foram reunidas na Tabela 1. Como pode ser verificado;    todos os resultados apresentados para o novo injetor com válvulas de estrangulamento;    independentemente do volume injetado;    revelam boa repetibilidade;    sendo os valores médios de desvio padrão relativo (DPR) ao redor de 1%;    similares aos obtidos com os demais injetores operados nas mesmas condições. Estes DPR não refletem somente a variação do volume de amostra definido pelo injetor;    vez que englobam todas as demais variações aleatórias do sistema;    inclusive do espectrofotômetro.;   

DOI  :  10.1590/S0100-40422001000500017

学科分类：化学（综合）

来源: Sociedade Brasileira de Quimica

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