Desenvolvimento de membranas catalíticas poliméricas para a metanólise de ácidos gordos

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Durante as últimas décadas, tem-se observado um aumento considerável no preço do petróleo. A procura por matérias-primas alternativas, que consigam ser economicamente vantajosas em comparação com as actuais, tem conduzido à aposta na produção de biodiesel. Uma das formas de produção de biodiesel consiste na metanólise de óleos vegetais, sendo desejável a utilização de óleos de baixa qualidade e não comestíveis, tais como os óleos de cozinha reciclados, permitindo assim valorizar resíduos orgânicos sem utilidade comercial. Contudo, estas matérias-primas encontram-se, geralmente, associadas a elevados teores de ácidos gordos livres (Free Fatty Acid, FFA), os quais podem originar a formação de sabões, aquando da reacção de transesterificação conduzida por catálise básica. De modo a solucionar o problema, operações de purificação, tais como a destilação de vapor ou a extracção com soda cáustica, têm sido convencionalmente aplicadas. No entanto, apesar do preço baixo das matérias-primas utilizadas nestes processos, estas operações tornam-se bastante dispendiosas durante a produção de biodiesel, o qual não se torna competitivo, economicamente, em comparação com os combustíveis fósseis. Como alternativa tem sido proposta a metanólise dos FFA, por catálise ácida, previamente à reacção de transesterificação. Considerando as evidentes vantagens ambientais e económicas é desejável a utilização de catalisadores heterogéneos. A utilização de membranas catalíticas permite não só a imobilização dos catalisadores e a sua fácil separação da mistura reaccional, mas também a obtenção de conversões elevadas por pervaporação da água formada. Este trabalho irá incidir na produção de membranas poliméricas catalíticas ácidas para a metanólise de ácidos gordos. Para tal, foram desenvolvidas membranas de Poli(álcool vinilílico), funcionalizadas com grupos sulfónicos. Estes grupos são introduzidos na forma de ácido sulfosuccínico e ácido sulfoacético. O primeiro funciona tanto como catalisador, quer como reticulante, enquanto o segundo apenas funciona como catalisador, sendo necessário utilizar um outro ácido, neste caso o ácido succínico, para permitir espaçamentos entre as cadeias poliméricas. Foram ainda desenvolvidas membranas poliméricas compósitas, de modo a testar a afinidade de heteropoliácidos com membranas de PVA, em reacções de esterificação. Para tal, utilizou-se ácido fosfotúngstico como catalisador, sem qualquer reticulante. Contudo, observou-se perda de actividade catalítica nestas condições. Tendo em conta os resultados obtidos, decidiu-se repetir o processo adicionando-se glutaraldeído, de modo a garantir a reticulação da membrana e impedir que o ácido seja lixiviado para a solução. Foram ainda desenvolvidas e testadas membranas compósitas consistindo em resina DOWEX dispersa em matrizes de PVA. As membranas poliméricas foram caracterizadas com recurso a ensaios de inchamento, estudo dos ângulos de contacto, espessura das membranas, titulações ácido-base, espectroscopia de infra-vermelho (FTIR), e para o caso da membrana ancorada com resina DOWEX, microscopia electrónica de varrimento (SEM). Estes catalisadores foram testados na reacção de esterificação do ácido láurico com o metanol, em reactor Batch, de forma a se estudar os efeitos da reticulação, carga de catalisador e efeito da hidrofilia/hidrofobia. Utilizou-se a modelação cinética, nos resultados com melhores actividades cinéticas, por forma a se tentar compreender os efeitos destas características da membrana nas propriedades de sorpção e transporte nas membranas.