Produção de biodiesel por catálise heterogénea

Mestrado em Engenharia Química. Ramo optimização energética na indústria química.

Produção de biodiesel via catálise heterogénea básica

Mestrado em Engenharia Química. Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental.

Utilização de co-solventes na produção de biodiesel a partir de óleo residual e etanol por catálise enzimática

A constante e sistemática subida de preço dos combustíveis fósseis e as contínuas preocupações com o meio ambiente determinaram a procura de soluções ambientalmente sustentáveis. O biodiesel surge, então, como uma alternativa para essa problemática, bem como uma solução para resíduos líquidos e gordurosos produzidos pelo ser humano. A produção de biodiesel tem sido alvo de extensa atenção nos últimos anos, pois trata-se de um combustível biodegradável e não poluente. A produção de biodiesel pelo processo de transesterificação usando álcoois de cadeia curta e catalisadores químicos, nomeadamente alcalinos, tem sido aceite industrialmente devido à sua elevada conversão. Recentemente, a transesterificação enzimática tem ganho adeptos. No entanto, o custo da enzima permanece uma barreira para a sua aplicação em grande escala. O presente trabalho visa a produção de biodiesel por transesterificação enzimática a partir de óleo residual de origem vegetal. O álcool usado foi o etanol, em substituição do metanol usado convencionalmente na catálise homogénea, pois a atividade da enzima é inibida pela presença deste último. As maiores dificuldades apresentadas na etanólise residem na separação das fases (Glicerol e Biodiesel) após a reação bem como na menor velocidade de reação. Para ajudar a colmatar esta desvantagem foi estudada a influência de dois cosolventes: o hexano e o hexanol, na proporção de 20% (v/v). Após a escolha do co-solvente que permite obter melhor rendimento (o hexano), foi elaborado um planeamento fatorial no qual se estudou a influência de três variáveis na produção de biodiesel por catálise enzimática com etanol e co-solventes: a razão molar óleo/álcool (1:8, 1:6 e 1:4), a quantidade de co-solvente adicionado (30, 20 e 10%, v/v) e o tempo de reação (48, 36 e 24h). A avaliação do processo foi inicialmente seguida pelo rendimento da reação, a fim de identificar as melhores condições, sendo substituída posteriormente pela quantificação do teor de ésteres por cromatografia em fase gasosa. O biodiesel com teor de ésteres mais elevado foi produzido nas condições correspondentes a uma razão molar óleo:álcool de 1:4, com 5g de Lipozyme TL IM como catalisador, 10% co-solvente (hexano, v/v), à temperatura de 35 ºC durante 24h. O rendimento do biodiesel produzido sob estas condições foi de 73,3%, traduzido em 64,7% de teor de ésteres etílicos. Contudo o rendimento mais elevado que se obteve foi de 99,7%, para uma razão óleo/álcool de 1:8, 30% de co-solvente (hexano, v/v), reação durante 48h a 35 ºC, obtendo-se apenas 46,1% de ésteres. Por fim, a qualidade do biodiesel foi ainda avaliada, de acordo com as especificações da norma EN 14214, através das determinações de densidade, viscosidade, ponto de inflamação, teor de água, corrosão ao cobre, índice de acidez, índice de iodo, teor de sódio (Na+) e potássio (K+), CFPP e poder calorífico. Na Europa, os ésteres etílicos não têm, neste momento, norma que os regule quanto à classificação da qualidade de biodiesel. Contudo, o biodiesel produzido foi analisado de acordo com a norma europeia EN14214, norma esta que regula a qualidade dos ésteres metílicos, sendo possível concluir que nenhum dos parâmetros avaliados se encontra em conformidade com a mesma.

Aproveitamento e valorização de resíduos provenientes da produção de Biodiesel

Com o desenvolvimento económico das últimas décadas, a gestão de recursos energéticos é um desafio que a sociedade moderna enfrenta. Assim, actualmente há a necessidade da procura de novas fontes de energia, fontes de energia renováveis. Sendo o biodiesel uma fonte de energia renovável, a sua crescente produção irá trazer um aumento da produção de resíduos, como o glicerol e ácidos gordos. É pois importante reduzir/valorizar estes resíduos de forma a impedir a sua acumulação ao longo do tempo. A valorização destes resíduos é o objectivo principal deste trabalho. A primeira parte consistiu na esterificação de ácidos gordos livres com glicerol, na presença de um catalisador ácido, para a produção de monoglicerídeos. Foram utilizados diferentes tipos de matérias-primas: glicerol (76,3%) e resíduo de ácidos gordos (20,8%), fornecidos pela empresa SOCIPOLE SA, glicerol puro (92,2%) e ácido oleico puro (93,1%). Os catalisadores usados foram o cloreto de zinco comercial e o ácido p-tolueonossulfónico comercial. Não foram efectuadas análises específicas aos monoglicerídeos, o produto foi caracterizado pelo índice de acidez. Aparentemente, a maior conversão de ácidos gordos foi obtida no ensaio de esterificação de ácidos gordos com glicerol, ambos da SOCIPOLE SA. No entanto, este não serviu como termo de comparação com os outros devido à formação de uma fase sólida (polímero). Relativamente aos outros ensaios, com razão molar glicerol/ácidos gordos de 1:3, o melhor resultado foi obtido na reacção de glicerol da SOCIPOLE SA com ácido oleico puro, na presença do catalisador ácido p-toluenossulfónico, à temperatura de 106,3ºC e tempo de reacção de 4h30min, sendo a conversão final de ácido oleico 80,7%. Na segunda parte foi feito o estudo da esterificação de ácidos gordos livres com metanol, na presença de ácido sulfúrico, para a produção de biodiesel utilizando ácidos gordos fornecidos pela empresa SOCIPOLE SA, ácidos gordos derivados dos sabões de um resíduo de glicerol fornecido pelo Laboratório de Tecnologia Química, Professora Doutora Lídia Vasconcelos do ISEP e ácidos gordos derivados dos sabões do glicerol bruto, fornecido pela empresa SOCIPOLE SA. Os ensaios foram efectuados a 65ºC, com uma agitação de 120rpm e uma razão molar ácidos gordos/metanol de 1:3. Verificou-se que o índice de acidez do produto, depois de lavado e seco, diminuía com o tempo de reacção e na generalidade a percentagem de ésteres aumentava, observando-se que a partir das seis horas, a reacção se tornava muito lenta. O estudo da razão ácidos gordos/metanol, não permitiu tirar conclusões. O melhor resultado obtido correspondeu a um produto com 96,2% de ésteres metílicos e 8,54mgKOH/gamostra de índice de acidez, pelo que não pode ainda ser designado de biodiesel.

Preparação de catalisadores heterogéneos para a produção de biodiesel

A produção de biodiesel como combustível para motores diesel, aumentou fortemente nos últimos anos e espera-se que cresça mais e mais num futuro próximo. O aumento do consumo de biodiesel exige processos de produção optimizados que permitam grandes capacidades de produção, operações simplificadas, rendimentos altos, bem como a utilização de matérias-primas mais económicas. Por isso, o desenvolvimento de processos de produção de baixo custo exige a especificação de catalisadores heterogéneos eficientes na promoção da reacção de transesterificação, permitindo a imediata separação da glicerina pura, não necessitando de uma purificação dispendiosa deste subproduto. Os xerogéis de carbono surgem então como materiais promissores para aplicação como catalisadores heterogéneos para a produção de biodiesel, devido às suas excelentes propriedades ao nível da sua textura e superfície química. Neste trabalho o principal objectivo foi a preparação de um xerogel de carbono, com o intuito de posteriormente ser aplicado na produção de biodiesel por catálise heterogénea. Amostras de xerogel de carbono foram preparadas pelo método sol-gel e oxidadas em fase líquida sendo posteriormente caracterizados os seus grupos funcionais e a sua área específica. Os resultados obtidos mostram que é possivel obter um xerogel de carbono com área superficial alta, tendo sido atingido um valor máximo para a amostra número dois (803 m2/g). Os resultados atingidos ao nível da preparação do catalisador permitem concluir que as condições de operação influenciam a estrutura final do xerogel de carbono. Quanto à caracterização da química superficial do xerogel, foi possível verificar que a diferença do número de acidez entre as amostras oxidadas e não oxidadas do mesmo lote é alta, o que permite afirmar que a oxidação do material de carbono incrementa a concentração de grupos oxigénio à superfície do xerogel. O valor máximo para o número de acidez foi obtido com a amostra número três (Amostra oxidada - 916 μmol/g, Amostra não oxidada - 207 μmol/g). Apesar de terem sido realizados ensaios para a produção de biodiesel os resultados obtidos foram nulos. A escolha das condições de reacção para a catálise heterogénea com este tipo de material poderá não ter sido a mais indicada, assim como a quantidade e o tipo de grupos funcionais introduzidos no catalisador não terem acidez suficiente para permitir uma catálise efectiva.

Estudo do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos alimentares usados

O instável mas tendencialmente crescente preço dos combustíveis associado a preocupações ambientais cada vez mais enraizadas nas sociedades, têm vindo a despoletar uma maior atenção à procura de combustíveis alternativos. Por outro lado, várias projecções indicam um aumento muito acentuado do consumo energético global no curto prazo, fruto do aumento da população e do nível de industrialização das sociedades. Neste contexto, o biodiesel (ésteres de ácidos gordos) obtido através da transesterificação de triglicerídeos de origem vegetal ou animal, surge como a alternativa “verde” mais viável para utilização em equipamentos de combustão. A reacção de transesterificação é catalisada, por norma com recurso a catalisadores homogéneos alcalinos (NaOH ou KOH). Este tipo de processo, o único actualmente com expressão a nível industrial, apresenta algumas desvantagens que, para além de aumentarem o custo do produto final, contribuem para reduzir a benignidade do mesmo: a impossibilidade de reutilização do catalisador, o aumento do número e complexidade das etapas de separação e a produção de efluentes resultantes das referidas etapas. Com o intuito de minimizar ou eliminar estes problemas, vários catalisadores heterogéneos têm vindo a ser estudados para esta reacção. Apesar de muitos apresentarem resultados promissores, a grande maioria não tem viabilidade para aplicação industrial seja devido ao seu próprio custo, seja devido aos pré-tratamentos necessários à sua utilização. Entre estes catalisadores, o óxido de cálcio é talvez o que apresenta resultados mais promissores. O crescente número de estudos envolvendo este catalisador em detrimento de outros, é por si mesmo prova do potencial do CaO. A realização deste trabalho pretendia atingir os seguintes objectivos principais: • Avaliar a elegibilidade do óxido de cálcio enquanto catalisador da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Avaliar qual a sua influência nas características dos produtos finais; • Avaliar as diferenças de performance entre o óxido de cálcio activado em atmosfera inerte (N2) e em ar, enquanto catalisadores da reacção de transesterificação de óleos alimentares usados com metanol; • Optimizar as condições da reacção com recurso às ferramentas matemáticas disponibilizadas pelo planeamento factorial, através da variação de quatro factores chave de influência: temperatura, tempo, relação metanol / óleo e massa de catalisador utilizado. O CaO utlizado foi obtido a partir de carbonato de cálcio calcinado numa mufla a 750 °C durante 3 h. Foi posteriormente activado a 900 °C durante 2h, em atmosferas diferentes: azoto (CaO-N2) e ar (CaO-Ar). Avaliaram-se algumas propriedades dos catalisadores assim preparados, força básica, concentração de centros activos e áreas específicas, tendo-se obtido uma força básica situada entre 12 e 14 para ambos os catalisadores, uma concentração de centros activos de 0,0698 mmol/g e 0,0629 mmol/g e áreas específicas de 10 m2/g e 11 m2/g respectivamente para o CaO-N2 e CaO-Ar. Efectuou-se a transesterificação, com catálise homogénea, da mistura de óleos usados utilizada neste trabalho com o objectivo de determinar os limites para o teor de FAME’s (abreviatura do Inglês de Fatty Acid Methyl Esters’) que se poderiam obter. Foi este o parâmetro avaliado em cada uma das amostras obtidas por catálise heterogénea. Os planos factoriais realizados tiveram como objectivo maximizar a sua quantidade recorrendo à relação ideal entre tempo de reacção, temperatura, massa de catalisador e quantidade de metanol. Verificou-se que o valor máximo de FAME’s obtidos a partir deste óleo estava situado ligeiramente acima dos 95 % (m/m). Realizaram-se três planos factoriais com cada um dos catalisadores de CaO até à obtenção das condições óptimas para a reacção. Não se verificou influência significativa da relação entre a quantidade de metanol e a massa de óleo na gama de valores estudada, pelo que se fixou o valor deste factor em 35 ml de metanol / 85g de óleo (relação molar aproximada de 8:1). Verificou-se a elegibilidade do CaO enquanto catalisador para a reacção estudada, não se tendo observado diferenças significativas entre a performance do CaO-N2 e do CaO-Ar. Identificaram-se as condições óptimas para a reacção como sendo os valores de 59 °C para a temperatura, 3h para o tempo e 1,4 % de massa de catalisador relativamente à massa de óleo. Nas referidas condições, obtiveram-se produtos com um teor de FAME’s de 95,7 % na catálise com CaO-N2 e 95,3 % na catálise com CaO-Ar. Alguns autores de estudos consultados no desenvolvimento do presente trabalho, referiam como principal problema da utilização do CaO, a lixiviação de cálcio para os produtos obtidos. Este facto foi confirmado no presente trabalho e na tentativa de o contornar, tentou-se promover a carbonatação do cálcio com a passagem de ar comprimido através dos produtos e subsequente filtração. Após a realização deste tratamento, não mais se observaram alterações nas suas propriedades (aparecimento de turvação ou precipitados), no entanto, nos produtos obtidos nas condições óptimas, a concentração de cálcio determinada foi de 527 mg/kg no produto da reacção catalisada com CaO-N2 e 475 mg/kg com CaO-A. O óxido de cálcio apresentou-se como um excelente catalisador na transesterificação da mistura de óleos alimentares usados utilizada no presente trabalho, apresentando uma performance ao nível da obtida por catálise homogénea básica. Não se observaram diferenças significativas de performance entre o CaO-N2 e o CaO-Ar, sendo possível obter nas mesmas condições reaccionais produtos com teores de FAME’s superiores a 95 % utilizando qualquer um deles como catalisador. O elevado teor de cálcio lixiviado observado nos produtos, apresenta-se como o principal obstáculo à aplicação a nível industrial do óxido de cálcio como catalisador para a transesterificação de óleos.

RuSe Electrocatalysts and Single Wall Carbon Nanohorns Supports for the Oxygen Reduction Reaction

Selenium modified ruthenium electrocatalysts supported on carbon black were synthesized using NaBH4 reduction of the metal precursor. Prepared Ru/C electrocatalysts showed high dispersion and very small averaged particle size. These Ru/C electrocatalysts were subsequently modified with Se following two procedures: (a) preformed Ru/carbon catalyst was mixed with SeO2 in xylene and reduced in H2 and (b) Ru metal precursor was mixed with SeO2 followed by reduction with NaBH4. The XRD patterns indicate that a pyrite-type structure was obtained at higher annealing temperatures, regardless of the Ru:Se molar ratio used in the preparation step. A pyrite-type structure also emerged in samples that were not calcined; however, in this case, the pyrite-type structure was only prominent for samples with higher Ru:Se ratios. The characterization of the RuSe/C electrocatalysts suggested that the Se in noncalcined samples was present mainly as an amorphous skin. Preliminary study of activity toward oxygen reduction reaction (ORR) using electrocatalysts with a Ru:Se ratio of 1:0.7 indicated that annealing after modification with Se had a detrimental effect on their activity. This result could be related to the increased particle size of crystalline RuSe2 in heat-treated samples. Higher activity of not annealed RuSe/C catalysts could also be a result of the structure containing amorphous Se skin on the Ru crystal. The electrode obtained using not calcined RuSe showed a very promising performance with a slightly lower activity and higher overpotential in comparison with a commercial Pt/C electrode. Single wall carbon nanohorns (SWNH) were considered for application as ORR electrocatalysts' supports. The characterization of SWNH was carried out regarding their tolerance toward strong catalyzed corrosion conditions. Tests indicated that SWNH have a three times higher electrochemical surface area (ESA) loss than carbon black or Pt commercial electrodes.

Produção de biodiesel a partir de pastas de gordura e resíduo de glicerol

O principal objectivo deste trabalho consistiu na produção de biodiesel a partir de resíduos fornecidos pela Empresa SOCIPOLE, S.A. Esta, forneceu, pastas de gordura (depósito formado nos óleos usados), só aproveitadas pela empresa para a produção de sabões, e resíduo de glicerol proveniente da produção de biodiesel. Com as pastas de gordura, foi feito um estudo onde se variaram alguns parâmetros, tais como: o tipo de reactor, catalisador, temperatura, agitação, tempo de reacção, razão molar gordura:metanol e condições de secagem. O estudo mais pormenorizado foi efectuado com o NaOH, como catalisador. Foram feitos vários ensaios para os tempos de reacção de 30minutos, 1hora e 2horas, a 65ºC e razão molar gordura:metanol 1:6, tendo-se obtido respectivamente 86,7; 88,1 e 87,5% para o teor de ésteres. No caso da resina catiónica forte como catalisador, aparentemente não houve reacção ao fim de 12h, enquanto no ensaio que utilizou o ácido sulfúrico, o teor de ésteres foi de 82,6%, ao fim de 12h com razão molar gordura:metanol igual a 1:11. Quanto à produção de biodiesel a partir do resíduo de ácidos gordos resultante da purificação do resíduo de glicerol, foi feito um estudo preliminar usando diferentes catalisadores, uma resina catiónica forte, ácido sulfúrico e zircónia sulfatada. Este resíduo continha cerca de 60% de ácidos gordos e aproximadamente 39% de ésteres metílicos. Dos três catalisadores usados, o que permitiu obter maior teor de ésteres foi a zircónia sulfatada, tendo-se obtido 82,9% trabalhando a 60ºC durante 18horas com agitação de 230rpm e razão molar ácidos gordos:metanol de 1:12 . O ensaio em que se obteve menor percentagem de ésteres (56,4%) foi com resina catiónica. Com as duas matérias-primas obteve-se sempre um teor de ésteres, no produto final, abaixo dos 96,5% estabelecidos pela Norma Europeia EN 14103. Estes resultados reflectem provavelmente a composição complexa das matérias-primas. As pastas de gordura podem conter compostos não esterificáveis, solúveis no biodiesel, ou mais dificilmente esterificáveis nas condições operacionais usadas. Já o resíduo de ácidos gordos apresenta uma cor escura o que indica a existência de compostos corados, talvez polímeros. Portanto, para se tirar conclusões fundamentadas é necessário fazer análises mais completas das pastas de gordura e do resíduo de ácidos gordos, assim como ao biodiesel produzido de forma a identificar as possíveis contaminações existentes nos produtos com esta proveniência.